CN108862247B - 一种气体分子探测复合膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体分子探测膜，通过以下方法获得：在沉积于AAO基底上的氧化石墨烯膜表面沉积一层纳米级厚度的功能层，然后利用水剥离方法剥离石墨烯基复合纳米膜。本发明避开了还原剥离、刻蚀剥离两种剥离手段，保证剥离得到的石墨烯膜不受任何破坏，保持其在AAO基底膜上的原有形态、结构和性能。同时，对AAO基底膜也没有产生任何破坏，可重复利用。由于这种石墨烯膜厚度小，甚至可以达到几个纳米，这种探测膜具有极高的灵敏度。

Description

一种气体分子探测复合膜
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种气体分子探测复合膜。
背景技术
2010年以来，石墨烯及其衍生物由于其卓越的物理化学性能得到了各个领域的关注。氧化石墨烯是制备石墨烯的最重要的前驱体，同时其也具有自身独特的物理性质，具有大量的缺陷、含氧官能团等，因此具有很高的光透明性、高亲水性、高带隙等等。基于此，其在湿度探测方面得到了广泛关注。
目前氧化石墨烯在湿度探测方面主要运用滴涂、旋涂、喷雾等方法，此方法有以下弊端：其一，表面结构不可控；第二，均匀性不可控；第三，厚度不可控；第四，膜内部结构不可控。综合以上因素，所做的氧化石墨烯基湿度探测膜，不具有很好的线性响应，且响应时间很长。
为此，我们设计了纳米厚褶皱石墨烯膜。褶皱的结构，保证了气体分子探测的响应面积。其纳米级的厚度以及化学氧化石墨烯表面众多的空洞结构使得气体可以快速穿透整个膜，保证了膜高度的响应性以及很短的响应时间。
另外，石墨烯不是万能的材料，特殊应用情况下，聚合物或者金属可以弥补石墨烯的不足，从而使得薄膜达到应用需求。基于此，我们设计了纳米厚石墨烯复合膜的分离方法，首先将石墨烯抽滤成膜，然后通过抽滤、旋涂、磁控溅射等方式将金属或者无机纳米粒子等均匀附于石墨烯表面，制备成石墨烯/无机纳米粒子(或者金属)复合膜。然后利用石墨烯和基底水分离的方法制备出浮于水面的石墨烯复合膜。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气体分子探测复合膜。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种气体分子探测复合膜，通过以下方法制备得到：
(1)在AAO基底膜上抽滤得到氧化石墨烯膜；
(2)在氧化石墨烯基底膜表面复合金属氧化物层或金属层，形成超薄膜；
(3)将载有膜结构的AAO以超薄膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO，使得AAO下沉，得到漂浮于水面的石墨烯基超薄膜。
(4)用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯基超薄膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面；
(5)室温下蒸发石墨烯基超薄膜中的水分，使得水含量大于50wt％；将蒸发处理后的石墨烯基超薄膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离。
(6)对石墨烯基超薄膜进行还原，使得其电导率大于50S/cm。
进一步地，所述超薄膜的厚度小于100nm。
进一步地，所述石墨烯基底膜的厚度小于100nm。
进一步地，所述步骤3中，按压位置为AAO的边缘。
进一步地，所述石墨烯基底膜的厚度为4nm。
进一步地，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40％。
进一步地，所述金属层为Pt，复合方法为磁控溅射。
进一步地，所述金属氧化物层为SnO2、ZnO、WO3、Cu2O、Co3O4、NiO、In2O3、MoO2。复合方法为磁控溅射、旋涂。
进一步地，所述步骤5中，还原方法包括化学还原、热还原；所述化学还原采用的还原剂选自水合肼、氢碘酸；热还原具体为：200℃水蒸气还原。
本发明的有益效果在于：本发明用抽滤的方法制备薄膜，保证了复合薄膜的均匀性以及器件的稳定性；采用了水转移的方法，将石墨烯复合膜的厚度控制在纳米级别，提高了薄膜的响应度，同时转移过程中，引入了微观褶皱，增加了薄膜的响应速度。整个过程简单、绿色、极易操作。
附图说明
图1为AAO基底膜剥离石墨烯膜的流程示意图。
图2为实施例1AAO基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图。
图3为实施例1制得的石墨烯膜的原子力显微镜图。
图4为实施例2制备得到的石墨烯基Pt纳米膜的扫描图。
图5为实施例2制得的石墨烯基Pt纳米膜的原子力显微镜图。
图6为实施例3制备得到的石墨烯基SnO2纳米膜的原子力显微镜图。
图7为实施例4制备得到的石墨烯膜的的原子力显微镜图。
图8为实施例5制备得到的石墨烯基MoO2纳米膜的的原子力显微镜图。
图9为对比例1MCE基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图。
具体实施方式
实施例1
通过控制石墨烯溶液的浓度，通过抽滤方法在AAO基底膜抽滤得到超薄的还原氧化石墨烯膜；将表面贴合有还原氧化石墨烯膜的AAO基底膜(孔隙率为40％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，如图1a和2a；按压AAO基底膜，如图2b，AAO基底膜开始下沉，如图2c，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜(虚线圈内)漂浮于水面，如图1b和2d。
用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面，自然晾干后，通过原子力显微镜测试其厚度为4nm，如图3所示。
实施例2
(1)按照如实施例1的抽滤方法，在AAO基底膜抽滤得到厚度为4nm的还原氧化石墨烯基底膜。
(2)通过磁控溅射方法，在步骤1的石墨烯膜表面溅射Pt纳米层；
(3)以超薄膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨膜漂浮于水面，石墨烯基Pt纳米膜成功剥离。
用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯基Pt纳米膜从下往上捞起，使得石墨烯基Pt纳米膜平铺于基底表面，室温下蒸发薄膜中的水分30min，测得水含量为67wt％；将蒸发处理后的石墨烯基Pt纳米膜进行冷冻干燥，从硅片表面脱离，表面具有大量褶皱，如图4所示；通过原子力显微镜测试其厚度为18nm，如图5所示。
转移至200℃水蒸气中进行还原，还原1h，干燥后测得其电导率54S/cm。在石墨烯膜的两端喷涂金电极用于电信号输出。
将上述还原后的石墨烯复合膜(尺寸2mm)置于H2为1ppm的真空手套箱内，实时监测其电阻变化，如表1所示。
实施例3
(1)按照如实施例1的抽滤方法，在AAO基底膜抽滤得到厚度为4nm的还原氧化石墨烯基底膜。
(2)通过磁控溅射方法，在步骤1的石墨烯膜表面抽滤SnO2纳米层；
(3)以超薄膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨膜漂浮于水面，石墨烯基SnO2纳米膜成功剥离。
用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯基SnO2纳米膜从下往上捞起，使得石墨烯基SnO2纳米膜平铺于基底表面，室温下蒸发薄膜中的水分30min，测得水含量为54wt％；将蒸发处理后的石墨烯基SnO2纳米膜进行冷冻干燥，从硅片表面脱离，表面具有大量褶皱；通过原子力显微镜测试其厚度为38nm，如图6所示。
转移至氢碘酸蒸气中进行还原，还原0.5h，干燥后测得其电导率86S/cm。在石墨烯膜的两端喷涂金电极用于电信号输出。
将上述还原后的石墨烯复合膜(尺寸2mm)置于NO为10ppm的真空手套箱内，实时监测其电阻变化，如表1所示。
实施例4
通过控制石墨烯溶液的浓度，通过抽滤方法在AAO基底膜抽滤得到超薄的氧化石墨烯膜；将表面贴合有氧化石墨烯膜的AAO基底膜(孔隙率为60％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，按压AAO基底膜边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜漂浮于水面，石墨烯膜成功剥离。
用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面，自然晾干后，通过原子力显微镜测试其厚度为14nm，如图7所示。
实施例5
(1)按照如实施例4的抽滤方法，在AAO基底膜抽滤得到厚度为14nm的氧化石墨烯基底膜。
(2)通过抽滤方法，在步骤1的石墨烯膜表面抽滤MoO2纳米层；
(3)以超薄膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨膜漂浮于水面，石墨烯基MoO2纳米膜成功剥离。
用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯基MoO2纳米膜从下往上捞起，使得石墨烯基聚乙烯醇纳米膜平铺于基底表面，室温下蒸发薄膜中的水分30min，测得水含量为89wt％；将蒸发处理后的石墨烯基MoO2纳米膜进行冷冻干燥，从硅片表面脱离，表面具有大量褶皱；通过原子力显微镜测试其厚度为66nm，如图8所示。
转移至氢碘酸蒸气中进行还原，还原0.5h，干燥后测得其电导率84S/cm。在石墨烯膜的两端喷涂金电极用于电信号输出。
将上述还原后的石墨烯复合膜(尺寸2mm)置于H2S为10ppm的真空手套箱内，实时监测其电阻变化，如表1所示。
其余的复合膜及其响应性能如表1所示。
表1
Figure BDA0001726118920000051
对比例1
(1)按照如实施例4的抽滤参数，用MCE基底膜(孔隙率为60％)抽滤得到厚度为14nm的氧化石墨烯基底膜。
(2)通过抽滤方法，在步骤1的石墨烯膜表面抽滤聚乙烯醇层；
(3)以超薄膜所在的面朝上，置于水面上，图9a所示，按压MCE基底膜边缘，MCE基底膜不下沉，图9b所示，石墨烯基聚乙烯醇纳米膜剥离失败，不能获得单独的石墨烯基聚乙烯醇纳米膜。
需要说明的是，抽滤法是目前公认的最均匀制备石墨烯膜的方法，在一定的抽滤液量下，可以调控浓度来对石墨烯膜的厚度进行控制，厚度最低可以是一层石墨烯，随着石墨烯浓度的增加，在压力作用下，新增的石墨烯逐步填充到第一层石墨烯的间隙，使得第一层石墨烯逐步完全填充，进而发展成第二层，不断重复以上步骤，可以制备厚度跨越2层到上万层石墨烯的石墨烯纳米膜。因此，本领域技术人员可通过简单的实验参数调整即可获得厚度为4nm的石墨烯膜，同样，旋涂、磁控溅射等制备薄膜的方法也是业内成熟的技术手段。

Claims (9)

1.一种气体分子探测复合膜的制备方法，其特征在于，所述气体分子探测复合膜由褶皱的金属氧化物层或金属层与还原氧化石墨烯超薄膜复合组成，通过以下方法制备得到：
（1）在AAO基底膜上抽滤得到氧化石墨烯膜；
（2）在氧化石墨烯基底膜表面复合金属氧化物层或金属层，形成超薄膜；
（3）将载有膜结构的AAO以超薄膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO，使得AAO下沉，得到漂浮于水面的石墨烯基超薄膜；
（4）用硅片基底将漂浮于水面的石墨烯基超薄膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面；
（5）室温下蒸发石墨烯基超薄膜中的水分，使得水含量大于50wt%；将蒸发处理后的石墨烯基超薄膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离；
（6）对石墨烯基超薄膜进行还原，使得其电导率大于50S/cm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超薄膜的厚度小于100nm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯基底膜的厚度小于100nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，按压位置为AAO的边缘。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯基底膜的厚度为4nm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属层为Pt，复合方法为磁控溅射。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物层为SnO2、ZnO、WO3、Cu2O、Co3O4、NiO、In2O3或MoO2，复合方法为磁控溅射或旋涂。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，还原方法包括化学还原、热还原；所述化学还原采用的还原剂选自水合肼、氢碘酸；热还原具体为：200℃水蒸气还原。
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