柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料及其制备与应用的制作方法

(一)技术领域

本发明涉及一种柔性光电材料及其制备方法与应用，尤其涉及一种柔性氮化碳/还原石墨烯(g-c3n4/rgo)电子复合材料及其制备方法，以及在气体传感器中的应用。

(二)

背景技术：

随着物联网(internetofthings，iot)的发展，对柔性电子器件质量要求越来越高。石墨烯(go)由于其高比表面，高电子传输速率等特性，广泛应用于超级电容器材料、储氢材料领域、电化学传感器及复合材料等领域。但是，由于其缺乏禁带宽度，又缺乏悬挂键，因此石墨烯的应用受到一定的限制。氮化碳(g-c3n4)是类似于石墨烯结构的非金属二维材料，由于其具有半导体特性，高荧光量子效应等特点，被广泛应用于催化制氢，光催化还原二氧化碳，重金属离子及dna检测等应用。由于g-c3n4导电性较弱，限制了光电子的传输，也大大限制了其应用。将石墨烯和氮化碳复合能够充分利用石墨烯的高电子传输率和氮化碳半导体特性。

迄今为止，已经报道的氮化碳/石墨烯的复合材料制备方法有多种，例如有热处理方法[small,2013,9,3336-3344.]、超声方法[daltontrans.,2014,43,6295-6299]及原位合成[nanoscale,2014,6,12555-12564]等方法，但仍然存在混合不均匀、比表面低等缺陷。范徳华异质结构(vanderwaals)给二维材料的层间复合提供了一种很重要的策略。目前，已经有将石墨烯和其他二维材料例如bn、硫化物或水滑石等材料形成范徳华异质结构。但迄今为止，尚未有石墨烯/氮化碳范徳华异质结构的相关报道。

二氧化硫是大气污染的主要气体之一。长期待在浓度低于2ppm的含有二氧化硫气氛中，常会引起胸闷，咳嗽。长期待在5ppm的二氧化硫气氛中会引起呼吸道及肺部疾病。美国环境控制局(u.s.environmentalcontrolagency)设定大气中二氧化硫的最低浓度必须小于0.5ppm。最近，以石墨烯为基质的场效应晶体管(field-effecttransistor，fet)电化学传感器用于二氧化硫气体传感，可以在室温下检测到低至5ppm的二氧化硫，但是其恢复时间较长，有待于进一步提高。因此，为了维护人类健康及环境，寻找快速、低耗，低成本的电化学传感器具有重要意义。

本发明提供了一种柔性g-c3n4/rgo电子复合材料及其制备方法，以及在气体传感器中的应用。该柔性电子复合材料具有特殊的光电特性，不仅可用于电化学传感，在光催化、环境污染物监测与控制等领域也有较好的应用前景。

(三)

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服目前热处理或原位等方法制备g-c3n4/rgo复合材料，反应温度过高且比表面积较低等问题，创造性的使用层层自组装方法代替固相法或原位方法，制备具有孔结构的成本低廉的g-c3n4/rgo电子复合材料，并作为气体传感器应用于室温检测低浓度的so2。此法易于操作、设备简单、合成条件温和、具有工业化前途，并且获得的复合材料具有较好的柔韧性，稳定性，能够应用于气体传感、电催化及光催化等领域。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料，其制备方法为：

(1)配制氮化碳醇相分散液

将氮化碳固体粉末加入酸溶液中，于60～120℃下回流2～12h，之后离心去除酸溶液，用去离子水洗涤至中性，然后用醇溶剂超声分散(超声功率10～60w，时间0.5～5h)，得到氮化碳醇相分散液；

所述的酸溶液为：36wt％～37wt％盐酸溶液、97wt％～98wt％硫酸溶液或69wt％～70wt％硝酸溶液；

所述酸溶液的体积用量以氮化碳固体粉末的质量计为20～60ml/g；

所述的醇溶剂为：甲醇、乙醇或丙醇；

所得氮化碳醇相分散液的固体含量为1.0～10mg/ml，优选1.0～5.0mg/ml；

(2)配制石墨烯醇溶液

取4～40mg/ml石墨烯的水溶液，用醇溶剂稀释至浓度为0.1～10mg/ml(优选0.5～2.0mg/ml)，得到石墨烯醇溶液；

所述的醇溶剂为：甲醇、乙醇或丙醇；

(3)制备柔性g-c3n4/rgo电子复合材料

将柔性基底浸泡于步骤(2)配制的石墨烯醇溶液中3～10min，用惰性气体吹干后，再浸入步骤(1)配制的氮化碳醇相分散液中3～10min，用惰性气体吹干后，完成一次组装过程，重复该组装过程1～8次(优选1～3次)，之后置于还原性蒸气气氛下，于60～110℃下还原2～12h，得到所述的柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料；

所述的柔性基底为：滤纸、聚乙烯醇(pva)薄膜、聚酰亚胺(pd)薄膜、聚酯(pet)薄膜或聚碳酸酯(pc)薄膜；

所述的惰性气体例如：氮气、氦气或氩气；

所述还原性蒸气为：水合肼、溴化氢或碘化氢；

所述还原的温度优选60～90℃，还原时间优选2～8h。

本发明所述的柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料可作为so2气体传感器的芯片，对低浓度so2实现室温检测。具体的，其应用方法为：

将所述柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料放置于气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，再通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫混合气体，待测试混合气体通入到放置有柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料的气体流通池中，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据，由此即知不同浓度范围内测试气体的灵敏度。

室温下，分别测试所述柔性氮化碳/还原石墨烯电子复合材料在可见光(大于420nm)或紫外光(365nm)辅助下对不同浓度so2气体的灵敏度。

灵敏度可以定义为r＝[(i–i0)/i0]×100％，其中i是在目标气体气氛下测到的电流值，i0是在氮气气氛下测得的电流值，能测到的最低浓度的气体就是该气体传感器的最低检出限。

与现有技术相比，本发明的积极效果在于：

1、采用层层自装的方法可以得到具有范徳华异质结构、层层堆积的g-c3n4/rgo复合材料，方法简单易行，能耗低，大大降低了生产成本，易实现工业化生产。

2、所得g-c3n4/rgo电子复合材料产品柔软，可折叠，可应用在穿戴设备中。

3、g-c3n4/rgo作为芯片材料不仅具备多孔道性质，而且有利于电子-空穴的传输，改善单独石墨烯的气体传感材料性能，对应用于低浓度so2检测，不仅具有高灵敏度，而且恢复时间较短。

(四)附图说明

图1：实施例1中g-c3n4/rgo电化学气体传感材料还原前后实物图；

图2：实施例1中g-c3n4/rgo电子柔性材料xrd图；

图3：实施例1中g-c3n4/rgo电子柔性材料sem图；

图4：实施例1中g-c3n4/rgo电子柔性材料tem图；

图5：实施例1中g-c3n4/rgo电子柔性材料在可见光下的光电流图；

图6：实施例1中g-c3n4/rgo电子柔性材料在紫外光下的光电流图；

图7：实施例1中检测so2的仪器装置示意图；

图8：实施例1中g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，可见光辅助下对浓度为20～800ppmso2气体响应图；

图9：实施例1中g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，紫外光辅助下对浓度为2～100ppmso2气体响应图。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取3g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入60ml浓盐酸(37wt％)，90℃下回流3h后，离心除去浓盐酸，去离子水洗涤3次至ph＝7，然后加入50ml乙醇，超声30min得到固体含量为2mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取4mg/ml石墨烯的水溶液，用乙醇稀释至浓度为2mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质滤纸浸泡在浓度为2mg/ml的go醇溶液，浸泡3min，氮气吹干后的滤纸再浸入2mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡3min，将滤纸氮气吹干后，重复上述操作一次，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料的滤纸片，以水合肼蒸气为还原剂，在90℃下还原3h，得到二层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

g-c3n4/rgo电化学气体传感材料还原前后实物图，如图1所示。经xrd检测，如附图2所示，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置23.0°(层间距离d＝0.391nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状，如附图3所示；经tem检测如图4所示，g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小500nm左右，g-c3n4层片大小50nm左右。经可见光照，测得光电流如图5，在空气气氛下能产生1.50×10^-7a的光电流；经紫外光照，测得光电流如图6，在空气气氛下能产生5.71×10^-7a的光电流。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的二层g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。图8为二层g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，可见光(大于420nm)辅助下对浓度为20～800ppmso2气体响应图。室温下，滤纸负载g-c3n4/rgo电子传感材料在可见光辅助下能检测到20ppm的so2。图9为二层g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，紫外光(365nm)辅助下对浓度为2～100ppmso2气体响应图。室温下，滤纸负载g-c3n4/rgo电子传感材料在紫外光辅助下能检测到2ppm的so2。

实施例2：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取3g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入60ml浓盐酸(37wt％)，90℃下回流3h后，离心除去浓盐酸，去离子水洗涤3次至ph＝7，然后加入50ml乙醇，超声30min得到固体含量为2mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取10mg/ml石墨烯的水溶液，用乙醇稀释至浓度为2mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质滤纸浸泡在浓度为2mg/ml的go醇溶液，浸泡3min，氮气吹干后的滤纸再浸入2mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡3min，将滤纸氮气吹干后，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料的滤纸片，以水合肼蒸气为还原剂，在90℃下还原3h，得到一层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

经xrd检测，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置23.0°(层间距离d＝0.390nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状，经tem检测，g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小400nm左右，g-c3n4层片大小50nm左右。经可见光照，在空气气氛下能产生3.8×10^-8a的光电流；经紫外光照，在空气气氛下能产生1.26×10^-7a的光电流。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的一层滤纸负载的g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。一层滤纸负载的g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，可见光(大于420nm)辅助下对浓度为40～800ppmso2气体响应测试。室温下，滤纸负载g-c3n4/rgo电子传感材料在可见光辅助下能检测到40ppm的so2。

实施例3：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取1g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入30ml浓硫酸(98wt％)，90℃下回流2h后，离心除去浓硫酸，去离子水洗涤3次至ph＝7，然后加入30ml乙醇，超声30min得到固体含量为1mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取4mg/ml石墨烯的水溶液，用乙醇稀释至浓度为2mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质聚乙烯醇(pva)薄膜浸泡在浓度为2mg/ml的go醇溶液，浸泡5min，氮气吹干后的聚乙烯醇薄膜再浸入10mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡3min，将聚乙烯醇薄膜氩气吹干后，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料，以溴化氢蒸气为还原剂，在60℃下还原8h，得到一层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

经xrd检测，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置23.1°(层间距离d＝0.389nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状；经tem检测g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小600nm左右，g-c3n4层片大小20nm左右。经可见光照，在空气气氛下能产生4.86×10^-8a的光电流；经紫外光照，在空气气氛下能产生2.33×10^-7a的光电流。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，可见光(大于420nm)辅助下对浓度为25～800ppmso2气体响应图。室温下，聚乙烯醇薄膜负载g-c3n4/rgo电子传感材料在可见光辅助下能检测到25ppm的so2。

实施例4：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取1g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入60ml浓硝酸(70wt％)，100℃下回流3h后，离心除去浓硝酸，去离子水洗涤6次至ph＝7，然后加入30ml甲醇，超声60min得到固体含量为1mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取10mg/ml石墨烯的水溶液，用甲醇稀释至浓度为3mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质聚酰亚胺薄膜浸泡在浓度为3mg/ml的go醇溶液，浸泡5min，氦气吹干后的聚酰亚胺薄膜再浸入1mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡5min，以上操作循环8次，将聚酰亚胺薄膜氦气吹干后，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料，以水合肼蒸气为还原剂，在110℃下还原2h，得到8层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

经xrd检测，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置25.1°(层间距离d＝0.345nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状；经tem检测，g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小400nm左右，g-c3n4层片大小100nm左右。经可见光照，在空气气氛下能产生4.63×10^-6a的光电流；经紫外光照，在空气气氛下能产生1.26×10^-5a的光电流。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，可见光(大于420nm)辅助下对浓度为30～800ppmso2气体响应测试。室温下，聚酰亚胺薄膜负载g-c3n4/rgo电子传感材料在可见光辅助下能检测到30ppm的so2。

实施例5：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取3g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入60ml浓盐酸(37wt％)，60℃下回流12h后，离心除去浓盐酸，去离子水洗涤6次至ph＝7，然后加入50ml乙醇，超声30min得到固体含量为2mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取4mg/ml石墨烯的水溶液，用乙醇稀释至浓度为0.1mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质聚碳酸酯薄膜浸泡在浓度为0.1mg/ml的go醇溶液，浸泡3min，氮气吹干后的滤纸再浸入1mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡3min，将滤纸氮气吹干，以上操作循环3次，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料的聚碳酸酯薄膜，以水合肼蒸气为还原剂，在60℃下还原12h，得到三层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

经xrd检测，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置25.1°(层间距离d＝0.345nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状，经tem检测如图3所示，g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小400nm左右，g-c3n4层片大小100nm左右。经可见光照，在空气气氛下能产生7.54×10^-6a的光电流；经紫外光照，在空气气氛下能产生4.32×10^-6a的光电流；经uv-vis检测，光吸收在200～400nm，对比纯g-c3n4材料，拓宽了其禁带宽度范围。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，紫外光(365nm)辅助下对浓度为8～150ppmso2气体响应测试。室温下，聚碳酸酯薄膜负载g-c3n4/rgo电子传感材料在紫外光辅助下能检测到8ppm的so2。

实施例6：

g-c3n4/rgo柔性材料的制备：

(1)取3g氮化碳粉末于圆底烧瓶，加入60ml浓盐酸(37wt％)，90℃下回流3h后，离心除去浓盐酸，去离子水洗涤4次至ph＝7，然后加入20ml丙醇，超声5h得到固体含量为10mg/ml的剥离的质子化的氮化碳醇相分散液；

(2)取40mg/ml石墨烯的水溶液，用丙醇稀释至浓度为10mg/ml，得到石墨烯醇溶液；

(3)将柔性基质聚酯薄膜浸泡在浓度为10mg/ml的go醇溶液，浸泡10min，氮气吹干后的滤纸再浸入1mg/mlg-c3n4溶液中，浸泡10min，将聚酯薄膜氦气吹干后，以上操作循环5次，将负载石墨烯和氮化碳的复合材料的聚酯薄膜，以碘化氢蒸气为还原剂，在90℃下还原3h，得到五层g-c3n4/rgo柔性电子材料。

经xrd检测，所得g-c3n4/rgo复合结构002峰位置24.1°(层间距离d＝0.365nm)；经sem检测，负载在滤纸上的g-c3n4/rgo薄膜呈现透明状，经tem检测如图3所示，g-c3n4/rgo复合材料中层层堆积，其中rgo层片大小400nm左右，g-c3n4层片大小100nm左右。经可见光照，在空气气氛下能产生7.26×10^-6a的光电流；经紫外光照，在空气气氛下能产生6.37×10^-5a的光电流。

g-c3n4/rgo电子材料作为芯片在so2气体检测应用：

检测装置如图7，其中g-c3n4/rgo柔性传感材料装入到气体流通池中。通过调节氮气与二氧化硫的流速来获得一系列不同浓度的二氧化硫气体，待测试混合气体通入到事先装入以上得到的g-c3n4/rgo柔性电子材料的气体流通池中，先用氮气冲洗管道系统使基线趋于平稳，通过keithely6487在3.0v电压对通过材料的电流值进行测试，获得电流与时间关系的数据。g-c3n4/rgo柔性电性材料室温下，紫外光(365nm)辅助下对浓度为5～50ppmso2气体响应测试。室温下，聚酯薄膜负载g-c3n4/rgo电子传感材料在可见光辅助下能检测到5ppm的so2。