[發明專利]金屬有機框架/石墨烯復合結構及其識別氣體分子的應用

有效

• 申請號: 202010154765.6
• 申請日: 2020-03-08
• 公開（公告）號: CN111470496B
• 公開（公告）日: 2023-02-10
• 發明（設計）人: 孫正宗;鄧鶴翔;吳潔
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186;C01B32/194;G01N27/12;C08G83/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于氣體分子識別技術領域，具體為金屬有機框架/石墨烯復合結構及其識別氣體分子的應用。本發明的金屬有機框架/石墨烯復合結構，是根據晶格對稱性匹配原則，以單層石墨烯為模板，外延生長金屬有機框架得到具有高透明度和導電率的復合結構；以該材料為基礎設計的電子化學器件，可識別不同氣體分子。該復合結構在室溫下可對氣體分子進行實時監測，靈敏度高，檢測信號的線性范圍廣。通過化學反應動力學對氣體分子響應曲線進行擬合可以進一步對氣體分子進行識別。該復合結構集成在柔性透明基底上，連續折疊200次后，器件仍然保持穩定。本發明可針對不同的氣體分子選擇或修飾金屬有機框架材料，以實現其它的選擇性識別。

技術領域

本發明屬于氣體分子識別技術領域，具體涉及金屬有機框架/石墨烯復合結構及其識別氣體分子的應用。

背景技術

透明是當代設計中的一個流行元素，也是人們日常生活中許多有用材料（如玻璃、塑料和晶體）的一個關鍵特征。由于對電子智能產品的消費需求不斷增加，設計與鏡頭、顯示面板、落地窗及汽車擋風玻璃等兼容的透明電子產品非常重要。同樣地，將透明電子設備集成到個人便攜式設備中，以實現對生物信號（例如脈搏、呼吸和血壓）和外界環境條件（如溫度、濕度和空氣中的氣體污染物）的實時監測，也非常具有吸引力。透明電子器件中的關鍵元件包括支持材料（如基底和電極）和核心功能單元。盡管目前有少數材料符合基底和電極的工業標準（在550nm波長下透明度為90%，方阻小于100Ω/sq），透明的核心功能單元的發展仍然相對緩慢，其主要原因在于制備在室溫條件下工作且具有高透明度、高導電性、高靈敏度材料非常受限。

金屬有機框架（MOFs）是一類由功能性分子構成的多孔晶體材料，許多MOFs對可見光具有較好的透明性。它們具有非常高的比表面積，可連續調節的孔徑和豐富的活性位點，能夠與氣體分子發生特異性的相互作用，適合對氣體分子進行檢測和區分。盡管MOF是結晶的，但其晶體很難制備成厘米大小，此外裂紋、氣泡或晶界均會影響其透明度。最近發現的玻璃態MOF是一個很有前途的解決方案，其中一些具有永久性的孔隙率。理論上，這些玻璃態MOF的透明度可以優化，但是MOF晶體本身不導電且非常脆，這些特征極大的阻礙了它們在透明電子器件領域的應用，使得MOF在透明電子器件領域的應用的報道非常稀缺。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有材料中的問題，提出一種靈敏度高的金屬有機框架/石墨烯復合結構及其識別不同氣體分子的應用。

本發明提供的石墨烯/金屬有機框架復合結構，由如下方法制備得到：根據晶格對稱性匹配的原則，以單層石墨烯薄膜為模板，外延生長金屬有機框架，得到具有高透明度和導電率的金屬有機框架/石墨烯復合結構；制備的具體步驟為：

（1）使用化學氣相沉積法，在高溫下，以甲烷和氫氣為氣源，在銅箔（厚度為10-30微米）上生長單層石墨烯；

（2）將銅箔上的單層石墨烯轉移至基底上；

（3）采用水熱法，以單層石墨烯為模板，在其表面外延生長金屬有機框架，得到石墨烯/金屬有機框架復合結構。

本發明中，在生長石墨烯前，需要對銅箔在高溫下使用氫氣進行退火處理。在生長石墨烯前，先對銅箔在高溫下使用氫氣進行退火處理；生長單層石墨烯時，溫度為1000-1100℃，通入甲烷的流速為35-45sccm，氫氣的流速為45-55sccm，反應時間為25-35分鐘。

本發明中，在轉移前對基底表面進行疏水處理，然后直接將石墨烯/銅片壓在基底上，使用過硫酸銨溶液將銅箔刻蝕后，即可直接在基底上得到干凈的石墨烯表面。

本發明中，所述基底硅片或石英，也可以是聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等柔性透明基底。復合結構在柔性基底上連續彎折200次時仍然保持著良好的導電性和透明性以及穩定的器件性能。