一种印制式石墨烯基NO2气敏元件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种印制式石墨烯基NO2气敏元件及其制备方法，充分结合凹版印刷技术与石墨烯二者的优点，依次将梳状叉指电极和石墨烯敏感层印刷在衬底上，最终得到印制式石墨烯基NO2气敏元件。本发明专利技术具有如下优点：①基于梳状叉指电极和石墨烯基敏感层的NO2气敏元件在室温条件下对NO2具有好的气敏特性和灵敏度；②印制式石墨烯基NO2气敏元件设计科学、性能运行稳定，可实现对生活环境中的NO2浓度进行实时、准确、连续监测的需求；③采用印刷方式制备石墨烯基NO2气敏元件工艺简单，操作方便、工艺参数易于控制、成本低、适于工业规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种印制式石墨烯基NO2气敏元件及其制备方法
本专利技术涉及气体传感器
，具体涉及到一种印制式石墨烯基NO2气敏元件及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着我国城市汽车消费市场的迅速崛起，氮氧化物(NOx)排放导致的环境问题日益突出。NO2F仅是引起酸雨、烟雾等环境问题的主要污染物之一，而且对呼吸道有强烈的刺激作用，严重威胁着市民的身体健康。因此，对生活环境中的NO2浓度进行实时、准确、连续监测十分必要的。石墨烯，单层碳原子排列的六角晶格结构，具有大的比表面积，高的电导率以及低的信噪比，非常适合作为NO2敏感材料。与传统NO2敏感材料(如金属氧化物SnO2, WO3等)相比，石墨烯室温电子迁移率可达15000cm2V—1 s—1，为室温NO2响应提供可能性。但是，石墨烯的气敏响应特性在很大程度上依赖于元件的结构与制备工艺。目前，很多研究小组采用化学浸溃法或滴落法将石墨烯附着在衬底上得到石墨烯气敏元件。这种制备方法过于粗糙，无法控制石墨烯敏感层的厚度，导致石墨烯基气敏元件性能差。近年来，印刷电子技术被广泛应用于各种电子器件制造，如，传感器，太阳能电池，显示器和电路版等。它通过将功能性油墨转印到衬底上即可。在不同印刷技术中，凹版印刷技术由于产量高，成本低以及周期短等优点成为制备电子器件的一种有效工艺手段。因此，本专利技术结合石墨烯材料与凹版印刷技术制备出低成本、便携式和可室温工作的NO2气敏元件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能室温工作的印制式石墨烯基NO2气敏元件，同时提供上述气敏元件的制备方法。本专利技术的技术方案如下:印制式石墨烯基NO2气敏元件，设有绝缘衬底、梳状叉指电极和石墨烯基敏感薄膜；气敏传感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在衬底和梳状叉指电极表面，通过检测薄膜电阻值变化实现对NO2气体浓度的检测。所述绝缘衬底包括聚酰亚胺、聚酯、纸、玻璃和硅片。所述梳状叉指电极、石墨烯基敏感薄膜位于气敏元件的绝缘衬底同侧。所述梳状叉指电极包括金属银、金和钼。所述的石墨烯基敏感薄膜为石墨烯或氧化还原石墨烯的水性油墨。所述石墨烯基敏感薄膜厚度可凹版印刷次数调控。上述印制式石墨烯基NO2气敏元件的制备方法，包括步骤:A.将衬底(I)分别用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声波清洗，后对其做表面处理；B.采用凹版印刷技术，在衬底(I)上制备梳状叉指电极(2)，并将其放在烘箱内干燥；C.采用凹版印刷技术将石墨烯基水性敏感油墨印刷在带有梳状叉指电极(2)的衬底(I)上，对衬底位置进行标记定位，使石墨烯基敏感薄膜层(3)完全覆盖在梳状叉指电极(2)表面上，将其放在烘箱内干燥，得到印制式石墨烯基NO2气敏元件。所述步骤A中对衬底做表面处理可采用将衬底浸泡在半胱胺盐酸盐试剂中的化学法或反应离子刻蚀的物理法。所述步骤B中烘箱干燥温度80°C，干燥20-30分钟。所述步骤C中石墨烯基水性敏感油墨按照下述步骤配制:将石墨烯均勻分散于去离子水中，浓度控制为15-80mg/mL,低速磁力搅拌5-10分钟，再超声震荡5-10分钟；重复该步骤3-5次完全均匀分散，获得石墨烯基水性敏感油墨。在石墨烯敏感层下方印制一层导电叉指电极起到两个作用:一方面降低石墨烯材料本身电阻，从而降低检测功耗；另一方面，叉指电极特别是金属叉指电极在气体吸附脱附过程中起到催化作用，从而缩短气体的响应恢复时间。上述方法充分结合凹版印刷技术与石墨烯二者的优点，依次将梳状叉指电极和石墨烯基敏感层印刷在衬底上，最终得到印制式石墨烯基NO2气敏元件。在制备过程中首先对衬底做表面处理，使衬底与油墨具有良好的匹配性，最终得到最佳的印刷效果。制备出的层状薄膜型石墨烯基NO2气敏元件可室温工作。本专利技术具有如下优点:①基于导电叉指电极和石墨烯敏感层的NO2气敏元件在室温条件下对NO2具有好的气敏特性和灵敏度；②印制式石墨烯基NO2气敏元件小型化、轻薄化，低能耗，满足人们对生活环境中的NO2浓度进行实时、准确、连续监测的需求采用印刷方式制备石墨烯基NO2气敏元件工艺简单，成本较低，重复性好，可工业化生产。【附图说明】图1为本专利技术的印制式石墨烯基NO2气敏元件的结构示意图，标记号说明:1:衬底；2:梳状叉指电极；3:石墨稀基敏感I吴(层)。图2为本专利技术的印制式石墨烯基NO2气敏元件在室温下对10，20, 30, 40, 50ppm NO2的气敏特性。图3为本专利技术的印制式石墨烯基NO2气敏元件对不同气体的选择性能图。具体实施方案为了更清楚的理解本专利技术，下面以实例进一步说明，但范围并不仅限于此。一种可室温工作的印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特点，由一柔性衬底1，梳状叉指电极2和石墨烯敏感膜层3构成(如附图1所示)。实施例1第一步、将PET衬底在去离子水中超声清洗，吹干，用氧等离子体对衬底做刻蚀处理，气流量IOOsccm,功率100W,刻蚀时间20秒；第二步、采用凹版印刷技术，在PI衬底上印刷出银叉指电极，并将其放在烘箱中120°C干燥30分钟；第三步、采用凹版印刷技术，将石墨烯基敏感油墨印刷在带有银叉指电极的PI衬底上，对衬底位置进行标记定位，使石墨烯敏感膜完全覆盖在银叉指电极表面，将其放在烘箱中80°C干燥10分钟，得到印制式石墨烯基NO2气敏元件。图2是本实施例制备的印制式石墨烯基NO2气体传感器对10，20, 30, 40, 50ppm NO2的气敏特性，工作条件为室温，湿度范围15-80%:测量范围10-50ppm，灵敏度(电流比Al/I。) 0.60-3.08，响应时间12s (响应时间定义为达到最大电阻值的90% )，恢复时间20s (恢复时间定义为恢复到初始电阻值的10% )，电路电压≤5VDC。图3为本专利技术的印制式石墨烯基NO2气敏元件对不同气体的选择性能图。实施例2第一步、将PI衬底在去离子水中超声清洗，吹干，用氧等离子体对衬底做刻蚀处理，气流量IOOsccm,功率100W,刻蚀时间20秒；第二步、采用凹版印刷技术，在PI衬底上印刷出银叉指电极，并将其放在烘箱中120°C干燥30分钟；第三步、采用凹版印刷技术，将石墨烯基敏感油墨印刷在带有银叉指电极的PI衬底上，对衬底位置进行标记定位，使石墨烯敏感膜完全覆盖在银叉指电极表面，将其放在烘箱中80°C干燥10分钟 ，按照衬底标记的位置，重复以上操作，获得多层石墨烯敏感层的石墨烯基NO2气敏兀件。实施例3第一步、将PI衬底在去离子水中超声清洗，吹干即可；第二步、采用凹版印刷技术，直接将石墨烯基敏感油墨印刷在PI衬底上，将其放在烘箱中80°C干燥10分钟，得到印制式石墨烯基NO2气敏元件。其中，石墨烯基敏感油墨按照下述步骤配制:将石墨烯均匀分散于去离子水中，浓度控制为15-80mg/mL，低速磁力搅拌5_10分钟，再超声震荡5_10分钟；重复该步骤3_5次完全均匀分散，获得石墨烯基敏感油墨。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，设有绝缘衬底、梳状叉指电极和石墨烯基敏感薄膜；气敏传感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在衬底和梳状叉指电极表面。

【技术特征摘要】
1.一种印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，设有绝缘衬底、梳状叉指电极和石墨烯基敏感薄膜；气敏传感元件石墨烯基敏感薄膜采用凹版印刷的方式印制在衬底和梳状叉指电极表面。2.根据权利要求1所述的印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，所述绝缘衬底包括聚酰亚胺、聚酯、纸、玻璃和硅片。3.根据权利要求1所述的印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，所述梳状叉指电极、石墨烯基敏感薄膜位于气敏元件的绝缘衬底同侧。4.根据权利要求1所述的印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，所述梳状叉指电极包括金属银、金和钼。5.根据权利要求1所述的印制式石墨烯基NO2气敏元件，其特征在于，所述的石墨烯基敏感薄膜为石墨烯或氧化还原石墨烯的水性油墨。6.根据权利要求1所述的印制式石墨烯基NO2气敏元件的制备方法，其特征在于，包括步骤: A.将衬底(I)分别用丙酮、无水乙醇、去离子水进行超声波清洗，后对其做表面处理； B.采用凹版印刷技术，在衬底(I)上制备梳状叉指电...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄磊，王振平，林有杰，李云香，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31