一种复合电极与制备及在电场检测中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种复合电极与制备及在电场检测中的应用，所述复合电极包括电极基底和P‑rGO复合材料，P‑rGO复合材料由P‑rGO二维薄膜和P‑rGO三维气凝胶构成，P‑rGO二维薄膜和P‑rGO三维气凝胶中含有碳、氧、硫、锌；复合电极的制备包括：1)基底的准备；2)P‑rGO水凝胶的制备；3)P‑rGO气凝胶电极的制备；检测装置的制备包括：1)传感器件的制备；2)检测装置的组装。本发明专利技术制得的复合电极有较高的电化学性能、抗振动性能和自愈性能，传感器件有很好的稳定性，传感器件对空间电场的检测能力优于普通的平行板电容器型传感器件，检测装置具有体积小、成本低、便于批量制造等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种复合电极与制备及在电场检测中的应用
本专利技术涉及一种复合电极与制备及在电场检测中的应用，属于电场检测

技术介绍
电场是一种客观存在的物质，同时它也是一个十分重要的物理参数。电场传感器广泛用于电场强度的探测，电场测量在诸多科学研究和工程
具有重要意义，因而电场传感器也广泛应用于航空、航天、气象、电力等多个领域。根据电场传感器工作原理，电场传感器可以分为光学(光纤)式和电荷感应式两大类，光学(光纤)式电场传感器一般结构复杂、成本高。因为光学式电场传感器为绝缘结构，而自身在电场中又无位置变化，所以会产生极化而无法感应低频电场。电荷感应式电场传感器是根据感应电荷变化产生的电流来检测电场强度的。电容器与电池类似，也具有两个电极。在电容器内部，这两个电极分别连接到被电介质隔开的两块金属板上。电介质可以是空气、纸张、塑料或其他任何不导电并能防止这两个金属极相互接触的物质。电容器充放电的原理是：当电容器接通电源以后，在电场力的作用下，与电源正极相接电容器极板的自由电子将经过电源移到与电源负极相接的极板下，正极由于失去负电荷而带正电，负极由于获得负电荷而带负电，电荷定向移动形成电流，在电荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断增加。电容器充放电产生响应电流，以电流响应的形式来反馈电场强度。传统的电场传感器结构复杂、成本高、体积大。随着电场检测技术的发展，电场传感器朝着微型化、集成化的方向发展，尤其是基于微纳米技术的电场传感器具有体积小、功耗低、成本低、便于批量制造、易于集成化、工作频带宽，以及电场探测的空间分辨率高等突出优点，是电场传感器的重要发展方向，受到国际上越来越多的关注。然而，目前可用于电场探测的微型传感器还比较缺乏，且难以大面积推广使用。现有中国专利“一种直接测量静电场的实验仪”(公开号CN202177668U)，提供了一种直接测量静电场的实验仪，包括电场产生装置、固态静电场传感器和信号放大电路与显示电路。电场产生装置由上下两块安装在绝缘支架上的极板及与极板相连接的电场电压源组成，固态静电场传感器安装在上下两块极板之间的空间内，固态静电场传感器的信号输出端由信号放大电路接显示电路。安装在绝缘支架上的上下两块极板为两块平行的金属板，两块平行的金属板构成平行板电容器。利用两个平行金属板组成的电容器产生电场，在电场的作用下，固态静电场传感器的输出电压与该点的电场值成正比，经过放大和转换，显示相应的电场值。但是其传感器系统结构单一，制约了其发展应用。现有文献中，“聚酰亚胺振动膜微型电场传感器”(微纳电子技术,2004(12):41-44)提出了一种以硅为基底，聚酰亚胺为振动悬膜的微型电场传感器，是基于导体在电场中产生感应电荷的原理来探测电场的。在电场中平行放置有孔的导体板A和另一块导体板B，A板接地，B板作为信号检测电极与检测电路相连。聚酰亚胺膜和附着在膜上的屏蔽电极用以实现板A的作用，感应电极用以实现板B的作用，当悬膜在电场中振动时，溅射在膜表面的金属电极会对电场进行周期性的屏蔽，使位于膜下方的感应电极上产生周期变化的感应电荷，从而实现垂直振动式微型电场传感器。但是这种垂直悬膜式电场传感器稳定性不佳。因此，有必要提高感应电容器件的抗振动和自愈性能。石墨烯由于其优异的机械强度和良好的电化学性能等特性，是最有前途的活性材料之一。而石墨烯气凝胶是三维石墨烯材料的一种，由于其多孔结构和高比表面积也越来越受到人们的关注，此外，它还具有优异的储能性能、抗振动性能、自愈和性能、成本低、便于批量制造等优点。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种复合电极与制备及在电场检测中的应用，复合电极具有较高的电化学性能、抗振动性能和自愈性能，可以作为传感模块敏感地感应空间电场，具有广阔的应用前景。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种复合电极，所述复合电极包括电极基底和P-rGO复合材料，所述P-rGO复合材料由P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶构成，其中，P-rGO二维薄膜为二维致密的支撑结构，P-rGO三维气凝胶为三维多孔的功能结构；所述P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶的厚度分别为2～3μm和100～120μm，P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶中均含有碳、氧、硫、锌元素，所述P-rGO复合材料的原子个数百分比分别为：碳57.7％～72.5％，氧21.73％～38.11％，硫0.1％～3.93％，锌1.58％～6.76％。另外，本专利技术还提供了一种所述复合电极的制备方法，具体包括以下步骤：1)基底的准备：先分别清洗前驱基底、电极基底，然后在前驱基底上沉积一层Zn形成Zn/前驱基底；2)P-rGO水凝胶的制备：先配制水凝胶前体溶液，然后将步骤1)得到的Zn/前驱基底浸入水凝胶前体溶液内，室温下反应，得到P-rGO水凝胶，再进行透析；3)P-rGO气凝胶电极的制备：将步骤2)透析后的P-rGO水凝胶转移到电极基底上，经冷冻、真空干燥后，得P-rGO气凝胶电极。作为改进，所述步骤1)中，前驱基底采用FTO导电玻璃，在FTO导电玻璃上沉积Zn形成350～450nm厚的Zn薄膜；所述的电极基底采用钛片、FTO、碳纸中的任一种。作为改进，所述步骤2)中，水凝胶前体溶液包括GO、PEDOT:PSS和HCl，其中，GO的浓度为1～2.5mg·mL-1，PEDOT:PSS的浓度为0.01～0.1mg·mL-1，HCl的浓度为0.01～0.2mg·mL-1，室温下反应10～15h，然后在超纯水中透析4～6h。作为改进，所述步骤3)中，P-rGO水凝胶的冷冻温度为-18～-23℃，冷冻时间为24～72h，烘箱干燥温度为50～70℃，干燥时间为2～4h。另外，本专利技术还提供了一种包含所述复合电极的传感器件。另外，本专利技术还提供了一种所述传感器件的制备方法，包括以下步骤：a)制备PVA/H2SO4凝胶电解质；b)将两个P-rGO气凝胶电极分别水平放置浸泡在PVA/H2SO4凝胶电解质中，取出后，将两个P-rGO气凝胶电极呈面对面放置，中间加入隔膜，形成三明治状结构，自然干燥后即的所述传感器件。作为改进，所述步骤a)中的PVA/H2SO4凝胶电解质由以下步骤制得：在85～90℃下将0.1～0.2g·mL-1的PVA在超纯水中搅拌2～2.5h，得到澄清溶液，然后再加入浓度为0.1～0.2g·mL-1的H2SO4，不断搅拌下形成PVA/H2SO4凝胶电解质。最后，本专利技术还提供了一种检测装置，所述检测装置包括传感模块、供电模块、信号放大模块、数据处理模块和显示模块，所述传感模块采用所述传感器件；所述供电模块分别与传感模块、信号放大模块、数据处理模块和显示模块连接，所述传感模块、信号放大模块、数据处理模块和显示模块依次连接；所述供电模块用于为检测装置供电；所述传感模块用于感知环境电场，并以电流响应的形式来反馈空间电场强度；所述信号放大模块用于将传感模块产生的电流信号放大并转换为电压信号输出，用于单片机对信号的采集和处理；所述数据处理模块通过模拟端口采集的电压信号，对信号实行数据拟合，将电压信号转换为电场数值，并输出至显示模块；所述显示模块用于将感应到的电场数值在终端屏幕中实时显示。最后，本专利技术还提供了一种所述传感器件或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极，其特征在于，所述复合电极包括电极基底和P‑rGO复合材料，所述P‑rGO复合材料由P‑rGO二维薄膜和P‑rGO三维气凝胶构成，其中，P‑rGO二维薄膜为二维致密的支撑结构，P‑rGO三维气凝胶为三维多孔的功能结构；所述P‑rGO二维薄膜和P‑rGO三维气凝胶的厚度分别为2～3μm和100～120μm，P‑rGO二维薄膜和P‑rGO三维气凝胶中均含有碳、氧、硫、锌元素，所述P‑rGO复合材料的原子个数百分比分别为：碳57.7％～72.5％，氧21.73％～38.11％，硫0.1％～3.93％，锌1.58％～6.76％。

【技术特征摘要】
1.一种复合电极，其特征在于，所述复合电极包括电极基底和P-rGO复合材料，所述P-rGO复合材料由P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶构成，其中，P-rGO二维薄膜为二维致密的支撑结构，P-rGO三维气凝胶为三维多孔的功能结构；所述P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶的厚度分别为2～3μm和100～120μm，P-rGO二维薄膜和P-rGO三维气凝胶中均含有碳、氧、硫、锌元素，所述P-rGO复合材料的原子个数百分比分别为：碳57.7％～72.5％，氧21.73％～38.11％，硫0.1％～3.93％，锌1.58％～6.76％。2.一种权利要求1所述复合电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)基底的准备：先分别清洗前驱基底、电极基底，然后在前驱基底上沉积一层Zn形成Zn/前驱基底；2)P-rGO水凝胶的制备：先配制水凝胶前体溶液，然后将步骤1)得到的Zn/前驱基底浸入水凝胶前体溶液内，室温下反应，得到P-rGO水凝胶，再进行透析；3)P-rGO气凝胶电极的制备：将步骤2)透析后的P-rGO水凝胶转移到电极基底上，经冷冻、真空干燥后，得P-rGO气凝胶电极。3.根据权利要求2所述的复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，前驱基底采用FTO导电玻璃，在FTO导电玻璃上沉积Zn形成350～450nm厚的Zn薄膜；所述的电极基底采用钛片、FTO、碳纸中的任一种。4.根据权利要求2所述的复合电极的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，水凝胶前体溶液包括GO、PEDOT:PSS和HCl，其中，GO的浓度为1～2.5mg·mL-1，PEDOT:PSS的浓度为0.01～0.1mg·mL-1，HCl的浓度为0.01～0.2mg·mL-1，室温下反应10～15h，然后在超纯水中透析4～6h。5.根据权利要求2所述的复合电极的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾玮，董紫燕，马悦，吴常昊，梁栋，徐超，黄林生，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34