[發明專利]一種石墨烯基氣體傳感探頭及其制備與應用

在審

• 申請號: 201810660718.1
• 申請日: 2018-06-25
• 公開（公告）號: CN109060891A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 董新義;吳剛;周忠福;丁輝
• 申請（專利權）人: 江蘇雙良低碳產業技術研究院有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;C01B32/182;C01B32/198;C01B32/158;C01B32/152;C01B32/20
• 代理公司: 江陰市揚子專利代理事務所(普通合伙) 32309
• 代理人: 隋玲玲

本發明提供一種石墨烯基氣體傳感探頭及其制備與應用，該氣體傳感器以具有部分或者全部石墨烯微觀原子結構的石墨烯基材料作為探測主體；通過將石墨烯基材料與高分子基體復合，得到具有宏觀石墨烯結構的塊狀或者薄膜狀石墨烯基氣體傳感探頭；將電極接在傳感探頭兩端，傳感探頭因吸收氣體而產生的電荷狀態變化直接表現為流過傳感探頭的電勢偏移量，由此達到檢測目標氣體的目的。與現有的氣體傳感器相比，本發明能夠提高氣體的檢測靈敏度；傳感探頭可制備成多種形貌，如條狀、塊狀或膜狀等；且不需要特定的裝置，能夠簡化工藝方便應用。

技術領域

本發明屬于石墨烯基復合材料領域和氣體傳感器領域，具體涉及一種探測空氣中目標氣體的石墨烯基氣體傳感探頭及其制備與應用。

技術背景

在當前國際安全意識逐漸提升的環境下，快速有效地進行威脅檢測和早期預警變得愈發重要。其中，氣體成分的檢測已成為社會、環境、工業系統中的關鍵一環。分子傳感器是一種可針對氣體成分進行威脅偵測、早期預警和個人安全保護的傳感設備，是一種將氣體的成份、濃度等信息轉化成對應電信號的轉換器，可應用于安檢安防、環境監測、化工監測、回路控制等多個領域，具有極為廣泛的應用價值。

目前使用的氣體傳感器，主要采用電化學或光學原理，需要氣體達到一定濃度，才會發生相應的響應特性，不能達到目標氣體分子痕量檢測和快速響應的目的。此外，現有設備體積大、重量高、制造成本高。例如目前用于機場的靜態監測系統非常沉重，難以移動；而基于金屬有機物的可移動傳感器需要在無塵室中制造，成本高昂。因此，一種新型的重量輕、可移動、制造成本低、可快速響應的高靈敏度氣體痕量檢測傳感器亟待開發。

石墨烯具有獨特的二維共軛結構、高導電性和大的比表面積，氣體分子吸附到石墨烯上后會產生電子重排現象，使其對周圍環境非常敏感，即使是一個氣體分子的吸附或釋放都可以被檢測到。然而，純的2D石墨烯非常難合成和分離，也難以在實際應用中操作。因此，相關研究逐漸從石墨烯材料轉向存在宏觀結構的2D和3D碳原子層。石墨烯基材料在一定程度上部分或者全部保留了石墨烯的原子結構，其電子傳遞特性與純石墨烯相似；且在宏觀結構中存在2D和3D碳原子層，可作為分子傳感器中的潛在信號源。

綜上，現有的氣體傳感技術需要氣體達到一定濃度才會發生響應，不能達到目標氣體分子痕量檢測和快速響應的目的；同時，檢測目標氣體的空間和種類均有限，且體積大、重量高、工藝復雜、成本高昂。

發明內容

本發明針對現有分子傳感器的不足，提供了一種高靈敏度檢測目標氣體的石墨烯基氣體傳感探頭及其制備與應用。

為實現以上目的，本發明采取的技術方案為：

一種石墨烯基氣體傳感探頭，檢測作為檢測對象的氣體，包括：

石墨烯基結構體，即石墨烯微觀原子結構體，均勻分布于氣體傳感探頭的表面與內部；

石墨烯基材料支撐體。

根據因石墨烯基復合材料吸附所述氣體在所述石墨烯基結構體上產生電阻的變化來檢測所述氣體。

進一步，所述石墨烯基復合材料為條狀、塊狀或者薄膜狀。

進一步，所述石墨烯基結構體具有部分或者全部石墨烯微觀原子結構，即微觀下部分或者全部碳原子具有六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜結構。

進一步，所述石墨烯基材料可以選擇石墨烯、氧化石墨烯、碳纖維、碳納米管、富勒烯、石墨微片、熱解石墨、多孔石墨、多孔石墨烯泡沫等具有石墨烯微觀原子結構的材料中的一種或者多種。

進一步，所述石墨烯基材料支撐體由高分子基體材料經碳化形成。

進一步，所述高分子基體材料可以選擇聚偏二氯乙烯、丁苯橡膠、乙丙橡膠、硅膠、聚醚醚酮、聚苯醚、聚酰亞胺等高分子材料中的一種或者多種。