[發明專利]氧化石墨烯陣列變色薄膜/復合薄膜的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201710801696.1
• 申請日: 2017-09-07
• 公開（公告）號: CN107655856B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 遲虹;宮廷媛;李天鐸
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/78
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 于曉曉

本發明屬于化學材料技術領域，具體涉及一種能夠在不同氣體環境中顯現出不同顏色的氧化石墨烯薄膜或復合薄膜的制備方法，該氧化石墨烯膜可應用于濕度、有害氣體的氣體傳感器制備中。具體制備方法是，配制氧化石墨烯溶液以及高分子溶液后將其依次通過旋涂儀旋涂在修飾過的硅片基底上，干燥，得變色氧化石墨烯/高分子復合薄膜。本發明提高石墨烯氣敏材料的分散性和選擇性，引入功能化高分子，穩定石墨烯片層結構的同時提高氣敏選擇，制備平整的、層數可控的石墨烯/高分子結構色薄膜；打破傳統石墨烯氣敏材料依賴于電化學檢測的特點，通過薄膜干涉的原理，構建基于干涉光響應的有機小分子可視化檢測組裝陣列，實現對濕度、有害氣體的實時、快速準確和可視化檢測。

技術領域

本發明屬于化學材料技術領域，具體涉及一種能夠在不同氣體環境中顯現出不同顏色的氧化石墨烯膜的制備方法，該氧化石墨烯膜可應用于濕度、有害氣體的氣體傳感器制備中。

背景技術

來自工業生產和交通運輸的揮發性有機污染物(VOCs)已成為最常見的有害氣體，我國揮發性有機物排放量每年超過2000萬噸，給人類的健康帶來持久的危害。石墨烯由于其單原子層厚度、高的載流子遷移率和大的比表面積，成為最有應用前景的氣敏材料之一。然而依賴于電化學信號輸出、易聚集、選擇性差等缺陷限制了其在氣體檢測的應用。經過廣大學者的不斷努力，石墨烯氣敏材料得到了快速發展，與其他材料復合的思想已被肯定。其中，獲得結構可控、功能化程度可調的新型石墨烯材料是提高石墨烯氣敏響應性的關鍵。

光信號輸出為石墨烯氣敏檢測提供了一條可行的途徑，發展基于干涉光的新型可視化傳感材料是克服依賴電信號輸出的關鍵。

基于光信號的可視化檢測結果直觀明了，不需要依賴大型或貴重的分析儀器。然而，石墨烯是特殊零帶隙材料，只有通過復雜的平面摻雜或是高溫高壓處理改變帶隙才能獲得在可見光區吸收或者發光的材料。2007年，加拿大的Arsenault首次報道了結構色光顯示材料在發展動態數據顯示方面的優勢和重要性。隨后，無機非金屬材料、高分子材料等都被廣泛用于制備結構色光子晶體。光子晶體在吸附了環境氣體后，自身結構發生膨脹或收縮而表現出快速可視化響應。近年，薄膜干涉結構色，由于材料制備簡單、色彩穩定、節能環保等特點，而逐漸引起人們的關注。當入射光在不同的界面反射時，來自上下不同表面的反射光由于不同光程和相位產生干涉重疊而表現出可視化色彩。這些工作為本項目的實施提供了堅實的理論基礎。因此，發展基于薄膜干涉的石墨烯材料將為新型可視化氣敏檢測提供一條可行的途徑。

石墨烯是制備基于薄膜干涉理想的氣敏材料。第一，完美的二維單分子層結構，大的比表面積(理論值2630m²/g)，有利于更精確的研究層結構對結構色的影響，并對痕量檢測物產生響應。第二，具有飛秒光響應特性，折射率高達3.7，且只吸收2.3％的光。第三，實際中得到廣泛應用的氧化石墨烯(GO)表面和側邊含有大量的含氧基團，削弱了氧化石墨烯的導電性，為發展低能、環保的光學器件提供了更好的契機。由于高度異質結構，氧化石墨烯的整體光電性質高度取決于C-C二維層是如何組裝的。因此，充分利用氧化石墨烯的物化特性以及干涉光性能穩定、不受片層大小影響的特點，發展干涉光傳感具有重要意義。

基于干涉光的檢測為石墨烯氣敏響應提供了一個全新的方法，但可控的制備平整薄膜是影響干涉光性能的關鍵。

傳統的制膜法如浸涂法、真空輔助過濾法在制備石墨烯薄膜時容易造成大量微褶皺和厚度不能準確控制的問題，Liu Bin等成功的用層層自組裝方法制備了石墨烯/量子點光催化復合薄膜，能夠有效調節膜厚和結構，但是該方法并不能得到在不同氣體環境中顯現出不同顏色的氧化石墨烯膜。

發明內容

為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種能夠在不同氣體環境中顯現出不同顏色的氧化石墨烯膜的制備方法；

本發明還提供了通過上述方法獲得的薄膜在濕度、有害氣體的氣體傳感器中的應用；