[發明專利]一種石墨烯基氣敏材料及其制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202011275866.5
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112525955A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 矯維成;黃亦凡;王榮國;赫曉東
• 申請（專利權）人: 深圳烯創先進材料研究院有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 黎健任

本發明提供了一種石墨烯基氣敏材料及其制備方法及其應用，其制備方法包括如下步驟：步驟S1，準備氧化石墨烯；步驟S2，采用水熱法制備石墨烯和硫化錫的復合材料，使硫化錫片層在靜電吸附作用下，在氧化石墨烯的表面結晶生長，同時，氧化石墨烯在水熱作用下還原生成石墨烯。采用本發明技術方案，通過硫化錫和石墨烯的協同作用，在室溫下可以快速吸附二氧化氮分子，具有極高的靈敏度，在室溫下也可以快速脫附，有利于在短時間內進行多次氣敏響應，且對除二氧化氮外其他氣體幾乎不產生響應；制備方法快速、簡便，可重復，易于控制。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，尤其涉及一種石墨烯基氣敏材料及其制備方法及其應用。

背景技術

在環境保護、工業生產、醫療診斷等方面，二氧化氮氣體的檢測有著重要的作用。美國環境保護組織（EPA）認為超過100ppb濃度的二氧化氮氣體就會對人體產生危害。目前，針對二氧化氮的氣體傳感器中的核心氣敏傳感材料主要為半導體金屬氧化物。這類氣敏材料需要較高的傳感溫度，在室溫環境下需要進行加熱，因而難以進行迅速響應。并且這類氣敏材料對目標氣體難以解吸附，進行一次傳感反應后，需要在高溫環境下進行一定時間的解吸附反應才可以進行下一次傳感，這極大地限制了傳感器的可重復性檢測的能力。并且，目前的氣敏材料主要針對百萬分之一濃度的目標氣體進行檢測（ppm級別），且靈敏度較低，對更低濃度的目標氣體（十億分之一濃度，即ppb級別）則難以進行檢測。此外，由于目前的傳感器選擇性較差，檢測環境中的其他氣體容易對傳感器產生干擾。

發明內容

針對以上技術問題，本發明公開了一種石墨烯基氣敏材料及其制備方法及其應用，解決了目前的傳感器選擇性較差，以及檢測環境中的其他氣體容易對傳感器產生干擾的問題。

對此，本發明采用的技術方案為：

一種石墨烯基氣敏材料的制備方法，其包括如下步驟：

步驟S1，準備氧化石墨烯；

步驟S2，采用水熱法制備石墨烯和硫化錫的復合材料，使硫化錫片層在靜電吸附作用下，在氧化石墨烯的表面結晶生長，同時，氧化石墨烯在水熱作用下還原生成石墨烯。

采用此技術方案得到的復合材料在室溫下可以快速吸附二氧化氮分子，具有極高的靈敏度，對ppb級別的二氧化氮氣體具有極高靈敏度，可以快速反應和恢復，選擇性好，可以滿足目前的氣敏傳感需求；在室溫下也可以快速脫附，且對除二氧化氮外其他氣體幾乎不產生響應，可用于室溫下十億分之一濃度二氧化氮的氣體檢測。這種氣敏材料在極低濃度下的氣體檢測具有廣闊的應用前景。該材料的制備方法具有快速，簡便，可重復易于控制等優點。

作為本發明的進一步改進，步驟S2的反應中，以錫酸鉀作為錫源，l-半胱氨酸作為硫源，CTAB作為鏈接劑。

作為本發明的進一步改進，步驟S2中，先將CTAB溶解到去離子水中，加入氧化石墨烯，進行超聲分散，使氧化石墨烯充分分散，得到氧化石墨烯分散溶液；繼續攪拌，使得氧化石墨烯和CTAB充分吸附；加入錫酸鉀和l-半胱氨酸，繼續攪拌，然后進行水熱反應，冷卻后進行離心、洗滌。

作為本發明的進一步改進，水熱反應的溫度為180-250℃。進一步的，所述水熱反應的溫度為200℃。

作為本發明的進一步改進，攪拌的轉速為300~400r/min，攪拌時間為1-3h。

作為本發明的進一步改進，所述氧化石墨烯與硫化錫的質量比為1：20~160。進一步的，所述氧化石墨烯與硫化錫的質量比為1：140~160，或所述氧化石墨烯與硫化錫的質量比為1：25~30。當所述氧化石墨烯與硫化錫的質量比為1：140~160，得到的復合材料為n型氣敏材料。所述氧化石墨烯與硫化錫的質量比為1：25~30，得到的復合材料為p型氣敏材料。采用此技術方案，可以根據需要調節石墨烯和硫化錫的比例，氣敏材料可以產生半導體p-n類型的轉化，這樣對二氧化氮氣體可以產生不同響應。