一种石墨烯基NH3传感器的制备方法及其解吸附方法与流程

本发明涉及一种制备石墨烯基nh3传感器的方法，还涉及一种由该方法制备出的石墨烯基nh3传感器的解吸附方法。

背景技术：

石墨烯材料由于大的比表面积和高载流子迁移率在薄膜气敏材料方面有着广泛的应用。在采用石墨烯作为基体制备nh3传感器时，通常会添加金属氧化物纳米颗粒来首先制取复合型的气敏材料，存在的问题是金属氧化物纳米颗粒不能很好的均匀分散在石墨烯基体中，会发生严重的团聚现象，这严重影响传感器的导电性能，进而影响到传感器的气体灵敏度。现有技术中，一般是采用表面活性剂或溶液分散剂使金属氧化物纳米颗粒之间相互排斥，从而解决分散问题。这样的技术手段会引入多种不环保的添加剂，而且一定程度上会掩盖材料的物理化学性质。

现有技术中还存在的问题是：石墨烯基nh3传感器在吸附nh3气体分子后，在各种背景气体如n2、干燥空气、氩气等稀释下并不能完全解吸附，且恢复时间长达数十分钟甚至数小时。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的一个技术问题是：提供一种石墨烯基nh3传感器的制备方法，能够使金属氧化物颗粒均匀的分散在石墨烯基体上，能够提高传感器的灵敏性和选择性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种石墨烯基nh3传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备气敏材料：

步骤1.1：将15～25ml浓度为8～12mm的醋酸铜溶液加入到20～30ml浓度为0.2～0.4mg/ml的氧化石墨烯水分散液中，得到棕色悬浊液并在室温下磁力搅拌12个小时；

步骤1.2：将15～25ml浓度为15～17mm的氢氧化钠溶液逐滴加入到步骤1.1的棕色悬浊液中，并静置10个小时得到棕绿色的沉淀物；

步骤1.3：将步骤1.2的沉淀物转移到50ml的特氟龙反应釜中并加入25～35ml浓度为5～7mm的葡萄糖水溶液；

步骤1.4：将步骤1.3中装有混合溶液的反应釜置入高温实验箱中，温度设定为96℃,保持10个小时；

步骤1.5：将步骤1.4经过水热反应得到的复合材料用水和乙醇以离心的方式多次清洗，以去除各种反应添加剂，从而得到纯净的rgo/cu2o复合材料。

步骤2：将步骤1.5中得到的rgo/cu2o复合材料分散到乙醇中。

步骤3：用移液器取定量的步骤2中得的rgo/cu2o复合材料乙醇分散液，采用气喷法将rgo/cu2o复合材料乙醇分散液沉积在叉指电极器件上，并置于70℃的真空干燥箱中保存。

优选的，步骤1.1中将20ml浓度为10mm的醋酸铜溶液(cu(ac)2)加入到25ml浓度为0.2mg/ml的氧化石墨烯水分散液(go)中。

优选的，步骤1.2中选用20ml浓度为16.8mm的氢氧化钠溶液。

优选的，步骤1.3中加入30ml浓度为6mm的葡萄糖水溶液。

本技术方案的有益效果是：步骤1.1中氧化石墨烯(go)上存在许多带负电荷的官能基团，根据异性电荷相互吸引的库伦力作用会和二价的cu²⁺离子结合，使cu²⁺离子能均匀的分布在氧化石墨烯(go)表面。这样，当进行步骤1.3时，葡萄糖水溶液将氧化石墨烯(go)还原成还原的氧化石墨烯(rgo),同时将cu2+离子还原成一价的cu⁺，以氧化亚铜(cu2o)量子定的形式均匀分布在还原的氧化石墨烯(rgo)表面。这样就保证了气敏材料成膜后能够为nh3分子提供均匀的吸附位(rgo/cu2o复合材料体现出强p型半导体性质，而nh3分子具有强还原性，rgo/cu2o气敏薄膜吸附nh3分子后，其多子空穴的浓度会因转移给nh3分子而减少，因此电阻值会增加；当nh3分子被完全解吸附后电阻值会恢复到初始状态)，从而保证制得的石墨烯基nh3传感器具有良好的导电性能，且传感器的灵敏性得到提高。以rgo/cu2o复合材料制成的气敏薄膜对nh3具有良好的选择性，能抵抗如co、h2、h2o、co2、hcho等干扰气体的干扰。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种能够快速、彻底的对石墨烯基nh3传感器进行解吸附的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种由上述方法所制备的石墨烯基nh3传感器的解吸附方法，将传感器放置在热脉冲加热台上，开启热脉冲，热脉冲的温度维持在70～80℃，同时通入干燥空气，5～7秒钟后关闭热脉冲，继续通入干燥空气，保证通入干燥空气的总时间为5～7分钟。

优选的，热脉冲的温度维持在70℃，热脉冲持续时间为5秒，通入干燥空气的时间为5分钟。

本技术方案的有益效果是：采用热脉冲加热与干燥空气稀释法相结合的方法能快速的对本发明中的石墨烯基nh3传感器解吸附，并能使传感器在全解吸附，提高了传感器的重复利用率。

附图说明

图1为实施例1所制备的传感器上rgo/cu2o气敏薄膜的电镜图；

图2为实施例2所制备的石墨烯基nh3传感器对nh3的选择性测试图；

图3为对实施例2所制备的石墨烯基nh3传感器的解吸附测试图；

图4为实施例3所制备的石墨烯基nh3传感器的响应图；

图5为对实施例3所制备的石墨烯基nh3传感器的解吸附测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，实施例1～3是石墨烯基nh3传感器的制备方法，实施例4～5是分别针对实施例2、实施例3所述制备的传感器的解吸附方法。

实施例1

一种石墨烯基nh3传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备气敏材料：

步骤1.1：将15ml浓度为8mm的醋酸铜溶液加入到20ml浓度为0.2mg/ml的氧化石墨烯水分散液中，得到棕色悬浊液并在室温下磁力搅拌12个小时；

步骤1.2：将15ml浓度为15mm的氢氧化钠溶液逐滴加入到步骤1.1的棕色悬浊液中，并静置10个小时得到棕绿色的沉淀物；

步骤1.3：将步骤1.2的沉淀物转移到50ml的特氟龙反应釜中并加入25ml浓度为5mm的葡萄糖水溶液；

步骤1.4：将步骤1.3中装有混合溶液的反应釜置入高温实验箱中，温度设定为96℃,保持10个小时；

步骤1.5：将步骤1.4经过水热反应得到的复合材料用水和乙醇以离心的方式多次清洗，以去除各种反应添加剂，从而得到纯净的rgo/cu2o复合材料。

步骤2：将步骤1.5中得到的rgo/cu2o复合材料分散到乙醇中。

步骤3：用移液器取定量的步骤2中得的rgo/cu2o复合材料乙醇分散液，采用气喷法将rgo/cu2o复合材料乙醇分散液沉积在叉指电极器件上，并置于70℃的真空干燥箱中保存。

本实施例中：步骤1.1中氧化石墨烯(go)上存在许多带负电荷的官能基团，根据异性电荷相互吸引的库伦力作用会和二价的cu²⁺离子结合，使cu²⁺离子能均匀的分布在氧化石墨烯(go)表面。这样，当进行步骤1.3时，葡萄糖水溶液将氧化石墨烯(go)还原成还原的氧化石墨烯(rgo),同时将cu²⁺离子还原成一价的cu⁺，以氧化亚铜(cu2o)量子点的形式均匀分布在还原的氧化石墨烯(rgo)基体表面。这样就保证了气敏材料成膜后能够为nh3分子提供均匀的吸附位，从而保证制得的石墨烯基nh3传感器具有良好的导电性能，提高传感器的灵敏性。

氧化亚铜(cu2o)量子点在还原的氧化石墨烯(rgo)基体表面的分布情况如图1所示：其中黑色的麻点为氧化亚铜(cu2o)量子点，灰色部分为还原的氧化石墨烯(rgo)基体，从图中可看出氧化亚铜(cu2o)量子点均匀分布在还原的氧化石墨烯(rgo)基体表面。

实施例2

一种石墨烯基nh3传感器的制备方法，与实施例1所不同的是步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：将25ml浓度为12mm的醋酸铜溶液加入到30ml浓度为0.4mg/ml的氧化石墨烯水分散液中，得到棕色悬浊液并在室温下磁力搅拌12个小时。

步骤1.2：将25ml浓度为17mm的氢氧化钠溶液逐滴加入到步骤1.1的棕色悬浊液中，并静置10个小时得到棕绿色的沉淀物。

步骤1.3：将步骤1.2的沉淀物转移到50ml的特氟龙反应釜中并加入35ml浓度为7mm的葡萄糖水溶液。

步骤1.4：将步骤1.3中装有混合溶液的反应釜置入高温实验箱中，温度设定为96℃,保持10个小时。

步骤1.5：将步骤1.4经过水热反应得到的复合材料用水和乙醇以离心的方式多次清洗，以去除各种反应添加剂，从而得到纯净的rgo/cu2o复合材料。

以rgo/cu2o复合材料制成的气敏薄膜对nh3具有良好的选择性，能抵抗如co、h2、h2o、co2、hcho等干扰气体的干扰，如图2所示：同时通入相同浓度50ppm的nh3、co、h2、h2o、co2、hcho，本实施例所制备的石墨烯基nh3传感器对nh3响应值明显大于对其他气体的响应值，因此，本发明所制备的石墨烯基nh3传感器对nh3具有优异的选择性，抗干扰能力强。

实施例3

一种石墨烯基nh3传感器的制备方法，与实施例1所不同的是步骤1包括以下步骤：

步骤1.1：将20ml浓度为10mm的醋酸铜溶液加入到30ml浓度为0.4mg/ml的氧化石墨烯水分散液中，得到棕色悬浊液并在室温下磁力搅拌12个小时；

步骤1.2：将20ml浓度为16.8mm的氢氧化钠溶液逐滴加入到步骤1.1的棕色悬浊液中，并静置10个小时得到棕绿色的沉淀物；

步骤1.3：将步骤1.2的沉淀物转移到50ml的特氟龙反应釜中并加入30ml浓度为6mm的葡萄糖水溶液；

步骤1.4：将步骤1.3中装有混合溶液的反应釜置入高温实验箱中，温度设定为96℃,保持10个小时。

如图4所示：本实施例所制备的石墨烯基nh3传感器对不同浓度的nh3均具有明显的响应。

实施例4

一种石墨烯基nh3传感器的解吸附方法，将传感器放置在热脉冲加热台上，开启热脉冲，热脉冲的温度维持在70℃，同时通入干燥空气，5秒钟后关闭热脉冲，继续通入干燥空气，保证通入干燥空气的总时间为5分钟。

本实施例是针对实施例2所述制备的传感器的解吸附方法，如图3所示：连续进行两次解析吸附试验后，再与单独采用干燥空气进行解吸附进行对比，从图中可以看出：采用本实施例的解吸附方法能快速、彻底的将nh3从传感上的rgo/cu2o气敏薄膜上解吸附，使传感器恢复到初始状态，并且传感器能在多次解吸附后恢复到初始状态，从而延长了传感器的使用寿命；单独采用干燥空气不能快速彻底的解吸附。

实施例5

本实施例是针对实施例3所述制备的传感器的解吸附方法。

一种石墨烯基nh3传感器的解吸附方法，将传感器放置在热脉冲加热台上，开启热脉冲，热脉冲的温度维持在80℃，同时通入干燥空气，7秒钟后关闭热脉冲，继续通入干燥空气，保证通入干燥空气的总时间为5分钟。

如图5所示：采用本实施例的解吸附方法能快速彻底的对施例3所述制备的石墨烯基nh3传感器进行解吸附。

综上所知，本发明所提供的制备方法能制备出灵敏性高、选择性好的石墨烯基nh3传感器，本发明所提供的解吸附方法能快速彻底的对采用本发明方法所制备的石墨烯基nh3传感器进行解吸附。