[發(fā)明專利]室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310703538.4
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103616415A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王彬;周曉慶;吳誼群;陳志敏;賀春英;苗守雷
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 侯靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氨敏元件及其制備方法。

背景技術(shù)

與傳統(tǒng)氣敏材料相比，石墨烯具有獨(dú)特的二維納米結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、相當(dāng)高的電導(dǎo)率、載流子遷移率和穩(wěn)定的理化性質(zhì)，是近年來研究最多、發(fā)展最快、最具有研究和實(shí)用價(jià)值的一類氣體敏感納米材料，成為近年來氣體傳感器領(lǐng)域國內(nèi)外爭相研究的熱點(diǎn)之一。自2004年A.Geim和K.Novoselov首次成功分離出穩(wěn)定的石墨烯（Graphene），相繼2010年獲得諾貝爾獎(jiǎng)以來，石墨烯以其非凡的屬性，受到物理、化學(xué)和材料科學(xué)界以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門的極大重視，世界各國均在制備和應(yīng)用方面投入大量的研發(fā)力量，期望能占領(lǐng)該技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)。石墨烯氣體傳感器研究表明，此類傳感器增大了對氣體的吸附面積，暴露在氣體中能夠快速的達(dá)到更高的靈敏度，可以滿足對實(shí)際需求的有害氣體進(jìn)行快速檢測，但吸附了NH₃之后很難恢復(fù)到初始狀態(tài)，存在恢復(fù)能力較差的問題。盡管近年來石墨烯作為氣體敏感材料的研究得到了迅猛的發(fā)展，并取得了很多很有意義的結(jié)果，但是其所表現(xiàn)出的恢復(fù)時(shí)間慢、選擇性較差、溶解性和分散性不理想以及成膜性手段受限等問題亟待解決。以酞菁為代表的有機(jī)半導(dǎo)體材料為氨敏材料的氣敏元件，由于酞菁?xì)饷舨牧暇哂休^好的選擇性、較高靈敏度、較快的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間、分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在氣體傳感器領(lǐng)域中占有重要的地位。然而，此類氣敏元件電阻值較高(>10GΩ)，很大程度上限制了它的實(shí)際應(yīng)用。利用酞菁類材料平面多電子共軛大π鍵結(jié)構(gòu)，以及大環(huán)周邊和軸向連接的多種特定活性的取代基團(tuán)，對石墨烯進(jìn)行功能化修飾是提高其氣敏性能的有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決氧化石墨烯氨敏元件可逆性與選擇性較差和金屬酞菁為氨敏材料的氣敏元件電阻值較高的技術(shù)問題，提供一種室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件及其制備方法。

室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件由叉指電極和氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料構(gòu)成；其中所述的氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料中的酞菁為氨基金屬酞菁。

所述的氨基金屬酞菁通式為MPcR_x(NH₂)_y、其中的x為0或3，y為1或4，R為烷基或烷氧基，其中的M為Cu、Ni、Fe、Co、Pb或Zn。

室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

一、制備氧化石墨烯/酞菁復(fù)合氨敏材料：

將氧化石墨烯分散于二甲基甲酰胺中，得到氧化石墨烯濃度為10-50mg/ml的溶液，然后按照氧化石墨烯質(zhì)量和二氯亞砜體積比為1mg:(1-2)ml的比例加入二氯亞砜，在70-80℃的條件下攪拌加熱回流反應(yīng)24-36小時(shí)，蒸餾除去二氯亞砜，按照酞菁與氧化石墨烯的質(zhì)量比為(0.5-5):1、酞菁質(zhì)量與三乙胺體積比為(10-30)mg:1mL的比例加入酞菁二甲基甲酰胺溶液和三乙胺，在氮?dú)獗Ｗo(hù)、60-100℃的條件下攪拌反應(yīng)72-96小時(shí)，然后將反應(yīng)液倒入蒸餾水中，過濾，得到氧化石墨烯/酞菁復(fù)合物粗產(chǎn)品，再用四氫呋喃離心洗滌氧化石墨烯/酞菁復(fù)合物粗產(chǎn)品至上層清液無色，最后采用乙醇離心洗滌5次，得到氧化石墨烯/酞菁復(fù)合物，在50℃真空干燥箱中將氧化石墨烯/酞菁復(fù)合物干燥24小時(shí)，得到氧化石墨烯/酞菁復(fù)合氨敏材料；

二、制備氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氣敏元件：

將步驟二得到的氧化石墨烯/酞菁復(fù)合氨敏材料在頻率為40kHz的條件下超聲分散于二甲基甲酰胺中，得到濃度為0.05mg/mL-1.0mg/mL的氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料DMF懸浮液，將氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料DMF懸浮液均勻涂在叉指電極上，溶液蒸發(fā)后，在80℃的真空干燥箱中干燥12-48小時(shí)，即得室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明利用無機(jī)材料優(yōu)異的導(dǎo)電性和熱、光與化學(xué)穩(wěn)定性，有機(jī)材料分子可裁剪性、響應(yīng)快、易加工等特點(diǎn)，將兩者通過組分和結(jié)構(gòu)的周期性變化形成復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)無機(jī)/有機(jī)材料的功能互補(bǔ)、優(yōu)化和協(xié)同增強(qiáng)，從而提高單一氣敏材料的氣敏性能，以獲得綜合性能更加優(yōu)異的氣敏元件；

二、本發(fā)明制備的室溫氧化石墨烯/酞菁復(fù)合材料氨敏元件，室溫下，在12.5ppm-3200ppmNH₃濃度范圍內(nèi)具有較好的響應(yīng)，而在較低濃度NH₃范圍內(nèi)NH₃濃度與響應(yīng)間具有良好的線性關(guān)系；