[發明專利]一種大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器、制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202211564247.7
• 申請日: 2022-12-07
• 公開（公告）號: CN115993383A
• 公開（公告）日: 2023-04-21
• 發明（設計）人: 孫正宗;鞏鵬;袁賽霖
• 申請（專利權）人: 復旦大學;復旦大學義烏研究院
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 程宗德

1.一種大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器，其特征在于，包括：

基底層、石墨烯層、金屬有機骨架材料層以及電極層。

2.根據權利要求1所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器，其特征在于：

所述金屬有機骨架材料由金屬離子與有機物配體通過配位作用形成，屬于六方或三方晶系，具有孔徑尺寸為微孔或介孔的一維孔道結構，晶胞參數與所述石墨烯相匹配，

所述金屬離子至少包括鐵、鈷、鎳、銅離子，

所述有機物配體為稠環芳香族酚類衍生物，通過氧原子與所述金屬離子配位。

3.根據權利要求1所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器，其特征在于：

其中，在氨氣氛圍下，所述金屬有機骨架材料中的金屬位點作為活性中心與氨氣發生相互作用，使氨氣吸附在所述金屬有機骨架材料上并導致材料的導電性發生變化。

4.根據權利要求1所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器，其特征在于：

其中，所述金屬有機骨架材料以所述石墨烯為模板在所述石墨烯的表面外延生長與定向排列。

5.一種如權利要求1-4中任意一項所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的應用，其特征在于：

所述大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器應用在人體呼吸中氨氣組分的精確檢測方面，對人體呼出氣中的痕量氨氣做出響應并反映氨氣的濃度。

6.一種如權利要求1-4中任意一項所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，生長大晶疇單層石墨烯，并將其轉移至基底上；

步驟2，通過水熱法在所述石墨烯表面外延生長金屬有機骨架材料層，得到石墨烯-金屬有機骨架復合材料；

步驟3，在所述石墨烯-金屬有機骨架復合材料表面構筑電極，制成電阻式器件。

7.根據權利要求6所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的制備方法，其特征在于：

其中，步驟1中，所述石墨烯層厚度為納米級，晶疇尺寸最大可達毫米級，通過化學氣相沉積方法在銅基底上制得，其制備的具體步驟為：

步驟1-1，以磷酸水溶液為電解質，在額定電壓下對銅箔進行短暫的拋光處理；

步驟1-2，清洗所述銅箔并充分干燥，將其置于高溫與氫氣氛圍下退火；

步驟1-3，通入甲烷與氫氣，在低壓高溫環境下生長，得到所述大晶疇單層石墨烯。

8.根據權利要求6所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的制備方法，其特征在于：

其中，步驟1中，采用聚甲基丙烯酸甲酯輔助所述石墨烯轉移，在轉移前，預先在所述石墨烯表面旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯，用酸性氯化銅溶液將銅箔刻蝕，隨后轉移至所述基底上，

所述基底為硅片、石英或柔性基底中的任意一種，

所述柔性基底為聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺或聚二甲基硅氧烷中的任意一種。

9.根據權利要求6所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的制備方法，其特征在于：

其中，步驟2中，金屬有機骨架材料的名稱為M-CAT-1，分子式為M₃(HHTP)₂(H₂O)₆，

M為過渡金屬元素，所述過渡金屬元素為鐵、鈷、鎳、銅中的任意一種，

HHTP為2,3,6,7,10,11-六羥基三苯，

所述金屬有機骨架材料屬于三方晶系，P-3c1空間群。

10.根據權利要求6所述的大晶疇石墨烯外延氨氣傳感器的制備方法，其特征在于：

其中，步驟2中，所述外延生長金屬有機骨架材料的具體步驟為：

步驟2-1，將金屬鹽和有機配體2,3,6,7,10,11-六羥基三苯溶于水中；

步驟2-2，將載有石墨烯的基底放入溶液中，將體系密封，于85℃下反應12小時，

步驟3中，通過在所述石墨烯-金屬有機骨架復合材料表面構筑導體電極從而搭建傳感器，每個傳感器需要構筑源、漏兩個電極，所述導體電極為導體金屬或多層金屬構成的復合電極，

所述常見的導體金屬為銅、銀、金、銦中的任意一種或多種。