石墨烯-聚合物微米线阵列和气体传感器以及它们的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯-聚合物微米线阵列和气体传感器以及它们的制备方法和应用。石墨烯-聚合物微米线阵列包括石墨烯微米线阵列以及包覆在其上的聚合物薄膜层。石墨烯微米线阵列呈一维分布且相互平行，并沿一维分布的方向延伸。本发明专利技术制备的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器，克服了现有技术中单纯地利用聚合物膜制备气体传感器时成本高，工艺复杂，检测效率不高、灵敏度差、溶胀后检测通路受限及需要特殊仪器设备的缺陷，具有优良的可加工性能，并且可大面积制备，从而保证了高的检测灵敏度、选择性和性能稳定性。该方法能够在制备过程中调节石墨烯-聚合物微米线阵列的宽度，有望在食品监测、大气污染物监测等方面展开广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯-聚合物微米线阵列和气体传感器以及它们的制备方法和应用
本专利技术属于传感器件制备
，尤其是涉及一种石墨烯-聚合物微米线阵列和气体传感器以及它们的制备方法和应用。
技术介绍
气体传感器作为一种高灵敏，高选择性检测气体的手段，自上世纪30年代以来，得到了较为广泛的研究。但是，该领域无论是在产业应用还是基础研究方面，都到了升级换代的关键时刻。一方面，随着近年来影响人类健康和生活水平的事件频发，如温室效应，臭氧层破坏等，对可检测气体种类的要求增多。从最初的还原性气体，如氢气，甲烷等，拓展到毒性气体一氧化碳、一氧化氮等及食品有关气体。另一方面，对传感器的检测限、灵敏度、重复性和稳定性、低成本等的要求增高，毫无疑问就对气体传感器，例如基于聚合物的气体传感器的制备提出了新的挑战。气体传感器中应用较为广泛的主要是基于聚合物的气体传感器，该气体传感器可以通过调节聚合物和可塑剂的种类来调节可检测气体种类，大大提高了气体传感器设计方面的灵活性。而聚合物主要以聚合物膜的形式使用，但目前普遍使用的基于聚合物膜的气体传感器在吸收气体后聚合物膜容易发生溶胀，影响检测通路。此类问题得到了研究机构和工业界的广泛关注(Kimetal.,ETRIJournal,27:585-594(2005)；Lewisetal.,Langmuir,22:7928-7935(2006)；Suslicketal.,Chem.Soc.Rev,42:8649-8682(2013))。为解决这个问题，大量研究转向阵列化的气体传感器。但常规的基于聚合物的阵列化气体传感器的制备过程存在方法繁琐，需要特殊仪器设备，难以大面积制备以及灵敏度差等问题。因此需要探索一种新型基于聚合物的阵列化气体传感器，既可以保证高的检测灵敏度，选择性和性能稳定性等，又能以一种低成本、高通量的简便方法制备。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种全新的石墨烯-聚合物微米线阵列和气体传感器以及它们的制备方法和应用。本专利技术所提供的方法可以大面积制备灵敏度高、选择性好且性能稳定的石墨烯-聚合物微米线阵列，并且在制备过程中能够方便地调节微米线阵列的宽度，从而相应地调节响应信号。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种石墨烯-聚合物微米线阵列，包括：石墨烯微米线阵列，其呈一维分布且相互平行，并沿一维分布的方向延伸；以及包覆在石墨烯微米线阵列上的聚合物薄膜层。优选地，所述包覆聚合物薄膜层的石墨烯微米线之间的间距为1～15μm，优选2～10μm。所述包覆聚合物薄膜层的石墨烯微米线的宽度为2～20μm。优选地，石墨烯-聚合物微米线阵列的面积高达10×10cm2。本专利技术还提供了一种石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器，其包括基底以及布置在基底上的本专利技术的石墨烯-聚合物微米线阵列。优选地，基底为硅片或导电玻璃片。本专利技术还提供一种石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器的制备方法，其包括以下步骤：S1、采用液桥诱导法制备石墨烯微米线阵列；以及S2、在所述石墨烯微米线阵列上包覆聚合物薄膜层，形成石墨烯-聚合物微米线阵列，从而得到石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器。本专利技术中，所述步骤S1包括：S11、设置基底，并将石墨烯超声分散于第一溶剂中成石墨烯分散液，将石墨烯分散液设置在基底上；S12、以具有微米阵列结构的硅柱为模板，将其设置在基底的分散有石墨烯分散液的表面上，形成三明治结构；以及S13、待位于基底和模板中间的石墨烯分散液层中的溶剂挥发后，由于液桥诱导收缩从而在基底上形成了石墨烯微米线阵列。本专利技术中，基底为硅片或导电玻璃片。第一溶剂为水。可选地，石墨烯分散液的浓度为800～1200ppm；例如可以为900ppm、1000ppm或1100ppm。本专利技术中，步骤S2包括：将聚合物溶解到第二溶剂中，形成聚合物溶液；将聚合物溶液设置在形成了石墨烯微米线阵列的基底上；以及待溶剂挥发后在基底上形成了石墨烯-聚合物微米线阵列，从而得到石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器。优选地，聚合物选自聚甲基苯乙烯、聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚ε-己内酯和聚环氧乙烷中的一种或多种。优选地，聚合物溶液的浓度为0.5～1.5mol/L，例如可以是1mol/L。优选地，第二溶剂选自水、氯仿、乙醇和丙酮中的一种或多种。优选地，所述方法制备的石墨烯-聚合物微米线阵列的面积高达10×10cm2。本专利技术还提供一种石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器在气体检测中的应用，包括：将上述石墨烯-聚合物微米线阵列传感器置于待检测气体的饱和氛围中；待其溶胀后，检测前后的I-V曲线变化，从而实现对相应气体的检测。优选地，气体可以是芳香族化合物(如甲苯、苯等)、醇类物质(如甲醇、乙醇等)、烷烃类物质(如己烷)、酮类物质(如丙酮等)中的一种或几种。本专利技术的有益效果：本专利技术制备的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器，克服了现有技术中单纯地基于聚合物膜的气体传感器中存在的成本高、工艺复杂、检测效率低、灵敏度差、溶胀后检测通路受限以及需要特殊仪器设备等缺陷，不仅具有优良的可加工性能，更重要的是，本专利技术的气体传感器可以大面积制备，从而保证了极高的检测灵敏度、选择性和性能稳定性，即使经过长达一年的放置也不会损坏或者导致检测灵敏度下降。此外，该石墨烯-聚合物微米线阵列及相应的气体传感器，能以一种低成本、高通量的简便方法进行制备，并可在制备过程中通过调节模板尺寸进而调节石墨烯微米线的宽度以及石墨烯微米线之间的间距，从而最终调整石墨烯-聚合物微米线的宽度以及石墨烯-聚合物微米线之间的间距。本专利技术的整个制备过程可以在室温20～25℃下实现，不需要提供复杂的环境。因此，本专利技术的制备方法操作简便、设备简单、易于控制、且能够大规模生产，该气体传感器有望在食品监测、大气污染物监测等方面展开广泛的应用。附图说明图1是本专利技术中制备石墨烯-聚合物微米线阵列的流程示意图；图2为本专利技术中利用液桥诱导法制备石墨烯微米线阵列的原理示意图；图3为本专利技术中将制备的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器置于待检测气体的饱和氛围中进行气体检测的装置示意图；图4为本专利技术实施例2中制备的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器对所检测的甲苯气体的响应随时间的变化示意图；以及图5为实施例2中制备的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器检测气体反复吸附-脱附时电阻变化的示意图。具体实施方式如前所述，本专利技术提供了一种石墨烯-聚合物微米线阵列，如图1(d)所示，包括石墨烯微米线阵列20以及包覆在石墨烯微米线阵列20上的聚合物薄膜层30。其中石墨烯微米线阵列20呈一维分布且相互平行，并沿一维分布的方向延伸。具体而言，由于聚合物包覆的石墨烯微米线的宽度以及石墨烯-聚合物微米线之间的间距D1可以影响其吸附待检测物的能力和检测信号，因此，上述微米线的宽度以及间距D1的范围选择比较关键。由于聚合物是均匀地包覆在石墨烯外层，本专利技术可以在制备过程中通过调节石墨烯微米线的宽度以及石墨烯微米线之间的间距D0或者聚合物包覆层30的厚度进而调节最终石墨烯-聚合物微米线的宽度和石墨烯-聚合物微米线之间的间距D1。其中，石墨烯微米线之间的间距D0可以通过调节所使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯‑聚合物微米线阵列，包括：石墨烯微米线阵列(20)，其呈一维分布且相互平行，并沿一维分布的方向延伸；以及包覆在所述石墨烯微米线阵列(20)上的聚合物薄膜层(30)。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-聚合物微米线阵列，包括：石墨烯微米线阵列(20)，其呈一维分布且相互平行，并沿一维分布的方向延伸；以及包覆在所述石墨烯微米线阵列(20)上的聚合物薄膜层(30)。2.根据权利要求1所述的石墨烯-聚合物微米线阵列，其特征在于，所述包覆聚合物薄膜层的石墨烯微米线之间的间距为1～15μm，优选2～10μm；所述包覆聚合物薄膜层的石墨烯微米线的宽度为2～20μm；优选地，所述石墨烯-聚合物微米线阵列的面积高达10×10cm2；优选地，所述聚合物选自聚甲基苯乙烯、聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚ε-己内酯和聚环氧乙烷中的一种或多种。3.一种石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器，包括基底(10)以及布置在所述基底(10)上的石墨烯-聚合物微米线阵列；其中，所述石墨烯-聚合物微米线阵列为权利要求1或2所述的石墨烯-聚合物微米线阵列。4.根据权利要求3所述的石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器，其特征在于，所述基底(10)为硅片或导电玻璃片；优选地，所述聚合物选自聚甲基苯乙烯、聚苯乙烯、聚醋酸乙烯酯、氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚乙烯基吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚ε-己内酯和聚环氧乙烷中的一种或多种。5.一种石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器的制备方法，包括以下步骤：S1、采用液桥诱导法制备石墨烯微米线阵列(20)；以及S2、在所述石墨烯微米线阵列(20)上包覆聚合物薄膜层(30)，形成所述石墨烯-聚合物微米线阵列，从而得到所述石墨烯-聚合物微米线阵列气体传感器。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、设置基底(10)，并将石墨烯超声分散于第一溶剂中成石墨烯分散液，将所述石墨烯分散液设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚晓楠，姜翔宇，苏彬，江雷，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11