CN104502412A - 一种基于石墨烯的氨气敏感材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体探测领域，具体提供了一种以纸为基底的石墨烯氨气敏感材料及其制备方法。首先将适量的氧化石墨烯加入到去离子水中，超声一段时间以得到均匀的氧化石墨烯溶液，然后利用抽滤方法在滤纸表面制备出一层氧化石墨烯薄膜,然后放入一定浓度的硼氢化钠水溶液中将氧化石墨烯就被还原，得到以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜，最后在还原氧化石墨烯薄膜上面制备两条银电极。本发明采用的工艺简单，易于生产，一次可制备出大面积的以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜，并且可以根据实际需要任意裁剪、加工成不同尺寸、不同形状的氨气探测器。该氨气传感器柔软、便携，具有重要的应用前景。

Description

一种基于石墨烯的氨气敏感材料及其制备方法

技术领域

本发明属于气体探测领域，具体涉及一种以纸为基底的石墨烯的氨气敏感材料及其制备方法。

背景技术

氨气在医药、化肥、轻工业等方面具有重要用途，但对人体来说，氨气是一种有毒有害气体。开发氨气传感器监测空气和特定环境中的氨气，对环境保护、人体健康和工农业生产等都具有重要意义[Sensors and Actuators B:Chemical,2013,178:485]。

目前，传统的金属氧化物材料，如二氧化锡、氧化锌等是常用氨气传感器的敏感材料。但是，这些传统材料的氨气传感器需要在高温下工作以提高其氨气灵敏度。这不仅会导致高能耗，而且在某些恶劣环境下会有危险。并且，这些传统材料一般需要制备在硬的基底上[Small,2013,9(22):3759]，这就导致在某些条件下，比如要求传感器柔软、轻便的环境下不能有效使用[Advanced Materials,2007,19(19):2818]。

石墨烯因具有比表面积大，噪音比低以及在室温下具有气体敏感性等优点，被认为是最好的气敏敏感材料之一，因此石墨烯气体传感器成为近年来气体探测领域的研究热点[Sensors and Actuators B:Chemical,2012,169:387]。而且，石墨烯还具有杰出的力学性能，这就为制备基于石墨烯的柔软气体传感器提供了可能。近年来，很多柔性材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺等被用作制备石墨烯气体传感器的基底[Angewandte Chemie International Edition,2010,49(12):2154,Carbon,2013,14(3):186]。纸原料丰富，且具有柔软、便宜、便携等优点，是一种比较理想的制备气体传感器的柔软基底。本发明中，我们利用简单实用、低成本的抽滤方法在滤纸上制备还原氧化石墨烯柔软氨气探测器。相比硬基底的石墨烯气体传感器，该氨气传感器柔软、便携，因此更具有实际应用价值。另外，相比硬基底的石墨烯气体传感器[ACS applied materials&interfaces,2013,5(15):7599]，该氨气传感器展现出了更高的灵敏度。

发明内容

本发明目的是提供一种以纸为基底的还原氧化石墨烯柔软氨气探测器及该探测器的制备方法。

本发明采用滤纸为基底，通过简单、实用的抽滤方法在滤纸上制备一层氧化石墨烯薄膜，利用硼氢化钠将之还原，从而制备出了以纸为基底的还原氧化石墨烯柔软氨气探测器。本发明采用的工艺简单，易于生产，一次可制备出大面积的以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜，并且可以根据实际需要任意裁剪、加工成不同尺寸、不同形状的氨气探测器，因而具有重要 的应用价值。

本发明的氨气探测器从下到上依次包括滤纸和还原氧化石墨烯。在还原氧化石墨烯上用银胶制备两条电极，引出电源线，串联接通直流电源和电流表，直流电源的电压可任意设定，一般设定为0.5伏和1伏，也可接通交流信号和精密LCR数字电桥。

本发明所述的基于以纸为基底的还原氧化石墨烯柔软氨气探测器的制备方法，其步骤如下：

(一)以纸为基底的氧化石墨烯薄膜的制备

氧化石墨烯买自于南京先丰纳米材料科技有限公司。将适量的氧化石墨烯加入到去离子水中，超声一段时间以得到均匀的氧化石墨烯溶液，取适量该溶液用孔径为0.22μm的混合纤维素滤纸抽滤，则在滤纸表面形成一层氧化石墨烯薄膜。

(二)以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜的制备

剪一片附着有氧化石墨烯薄膜的该滤纸，放入一定浓度的硼氢化钠水溶液中，在一定温度下，保持一段时间，这样氧化石墨烯就被还原，得到以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜。将之放入烘烤箱中，一定温度下干燥一段时间。

(三)电极连接

用银胶在有还原氧化石墨烯的一面制备两条电极，银电极之间保持适当的距离。从银电极之间，引出电源线。以纸为基底的还原氧化石墨烯柔软氨气探测器制备完毕。

附图说明

图1本发明器件的直流电阻型结构示意图。

图2本发明器件的交流电阻型结构示意图。

图3实施例1制备的器件其直流电阻在室温下对0.01％、0.02％、0.05％和0.1％氨气的动态气敏特性。

图4实施例1制备的器件其交流电阻在室温下对0.01％、0.02％、0.05％和0.1％氨气的动态气敏特性

如图1、图2所示，各部件名称为：银电极1、还原氧化石墨烯2、滤纸3、直流电流表4、直流电源5、精密LCR数字电桥6、加载的交流信号7。

如图3所示，在室温条件下，直流电阻对0.01％，0.02％，0.05％，0.1％氨气的灵敏度分别为14％,24％,41％和57％。

如图4所示，在室温条件下，交流电阻对0.01％，0.02％，0.05％和0.1％氨气的灵敏度分别为12％,15％,23％和32％。

具体实施方式

实施例1：

40mg的氧化石墨烯加入500mL的去离子水中，超声2小时，取5mL该氧化石墨烯溶液用孔径为0.22μm的混合纤维素滤纸抽滤，则在滤纸表面形成一层氧化石墨烯薄膜。剪一小片附着有氧化石墨烯薄膜的该滤纸，放入50mM的硼氢化钠水溶液中，在60℃下保持1小时，这样氧化石墨烯薄膜被还原，得到以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜。将之放入烘烤箱中，60℃下干燥1小时后，取出，在有还原氧化石墨烯的一面用银胶制备两条电极。还原氧化石墨烯和滤纸的面积为10mm×10mm，银电极的面积为2mm×8mm，电极之间的距离为2mm。得到以纸为基底的还原氧化石墨烯柔软氨气探测器。

分别用Keithley 2602B sourcemeter和TH2828 Precision LCR Meter测量其直流和交流电阻。所有测量都在室温(24±1℃)常压下(一个标准大气压)进行，背景气体为空气，其相对湿度为55％。

如图3所示，在室温条件下，直流电阻对0.01％，0.02％，0.05％，0.1％氨气的灵敏度分别为14％,24％,41％和57％。

如图4所示，在室温条件下，交流电阻对0.01％，0.02％，0.05％和0.1％氨气的灵敏度分别为12％,15％,23％和32％。

Claims (4)

1.一种滤纸为基底的石墨烯氨气敏感材料，其特征在于：从下到上依次包括滤纸(1)、还原氧化石墨烯(2)、银电极(3)。

2.如权利要求1所述的一种滤纸为基底的石墨烯氨气敏感材料，其特征在于：滤纸(1)上有一层还原氧化石墨烯薄膜。

3.如权利要求1所述的一种滤纸为基底的石墨烯氨气敏感材料，其特征在于：银电极(3)之间既可以连接直流电流表(4)和直流电源(5)测量其直流电阻的氨气敏感特性，也可以连接精密LCR数字电桥(6)和交流信号(7)测量其交流电阻的氨气敏感特性。

4.如权利要求2所述的一种滤纸为基底的石墨烯氨气敏感材料，其制备方法如下：

(1)以纸为基底的氧化石墨烯薄膜的制备

将适量的氧化石墨烯加入到去离子水中，超声一段时间得到均匀的氧化石墨烯溶液，取适量该溶液用孔径为0.22μm的混合纤维素滤纸抽滤，在滤纸表面形成一层氧化石墨烯薄膜。

(2)以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜的制备

剪一片附着有氧化石墨烯薄膜的滤纸，放入一定浓度的硼氢化钠水溶液中，在一定温度下，保持一段时间，得到以纸为基底的还原氧化石墨烯薄膜。将其放入烘烤箱中，一定温度下干燥一段时间。

(3)电极连接

用银胶在有还原氧化石墨烯的一面制备两条电极，银电极之间保持适当的距离，从银电极之间，引出电源线。