一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法。该方法控制乙二醇与去离子水的体积比为1:1，采用一步水热法，制备暴露晶面为(100)活性晶面、立方形态CeO2纳米颗粒与石墨烯的复合结构。该方法充分发挥活性晶面和异质结两者的协同作用，从材料和结构两方面提高对NO2气体的灵敏度。本发明专利技术的技术思路简单清晰，能在常温下显著提高对NO2气体的灵敏度，实现气体的快速检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体传感器领域，涉及一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法。
技术介绍
科学技术和社会经济飞速发展的同时，给自然环境也带来了沉重的负担，大气污染严重制约着人类的可持续发展。工业生产产生了大量的有毒、有害气体，不仅污染环境、破坏生态，而且危及身体健康和生命安全。因此，检测环境中有毒气体的成分与浓度意义重大。NO2是最危险的空气污染物之一，是酸雨形成的主要原因，会导致水体富营养化和酸化，破坏生态环境。人们长期暴露在低浓度的NO2中会导致严重的呼吸道疾病，甚至会危及生命。NO2气体传感器的种类繁多，主要包括半导体气体传感器、电化学气体传感器和固体电解质气体传感器等。金属氧化物半导体气体传感器是国内外的研究热点，它是一种以金属氧化物半导体材料为敏感介质，当与气体相互作用产生表面吸附或化学反应时，引起电导率、伏安特性或表面电位的变化。基于此，可检测周围气氛中待测气体的浓度变化。此类传感器灵敏度高、检测浓度低、结构简单、制造成本低廉、易于实现微型化和集成化。二氧化铈(CeO2)是一种重要的稀土氧化物，含量丰富。相对于其它半导体，CeO2的氧空位形成能较低，容易失去晶格中的氧，产生氧空位。每产生一个氧空位，就会有两个电子跃迁至CeO2的导带底，Ce4+转化为Ce3+，在整个过程中结构始终保持不变。正是由于其良好的结构稳定性和较低的氧空位形成能，CeO2是特别适合应用于对NO2等有害气体进行传感的半导体材料。纳米结构的CeO2比表面积大，有利于增强对NO2气体分子的吸附，但其导电性能差、操作温度高，响应时间比较慢；而且，传统方法制备出CeO2的暴露晶面为(111)晶面，该晶面活性较弱、氧空位形成能较高，表面缺陷较少、气体敏感度差，限制着在传感领域的应用。倘若能将高活性晶面外露的纳米CeO2与具有高导电性的石墨烯进行复合，利用CeO2的活性晶面和石墨烯大的比表面积和高的电子迁移率，将极大地提高对NO2气体的灵敏度，降低响应时间。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述问题，提供一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法。充分发挥活性晶面和异质结的协同作用，克服金属氧化物半导体NO2气体传感器的灵敏度低、响应速度慢、稳定性差等问题。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将10～30mg石墨烯、10～25ml乙二醇和10～25ml去离子水充分混合，得到均匀分散的混合溶液A；其中，乙二醇与去离子水的体积比为1:1；2)将150～450mg六水合硝酸铈、41.47～124.41mg氢氧化钠和300mgPVP溶解于溶液A中，磁力搅拌3h，得到均匀分散的混合溶液B；其中，六水合硝酸铈与氢氧化钠的物质的量比为1:3；3)将混合溶液B移入高压釜中，在160℃～220℃温度下反应24h制备出立方形态CeO2纳米颗粒与石墨烯的复合材料；4)对复合材料进行清洗和烘干，得到CeO2与石墨烯的复合结构粉末。本专利技术进一步的改进在于：所述步骤2)中，以600rpm/s的转速磁力搅拌3h并超声波处理30min。所述步骤3)中，高压釜为特氟龙釜衬配以不锈钢釜套，容积为100mL。所述步骤3)中，将混合溶液B放置于高压釜中，再将高压釜放置于烘箱中，在200℃的温度下反应24h，随炉冷却或者水冷后取出反应产物，干燥待用。所述步骤4)中，先用去离子水对复合材料清洗2次，然后以8000r/min的速度离心处理10min，接着用无水乙醇清洗3次，再在8000r/min的速度下离心处理10min，最后用去离子水清洗，并将清洗后的产物用无水乙醇分散风干。所述步骤4)中，将清洗处理后的混合物置于真空烘箱中，在70℃的温度下烘干12h，得到CeO2与石墨烯复合结构粉末。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术该方法通过控制水热工艺条件制备出高活性晶面外露的立方形态CeO2与石墨烯的复合结构，充分利用活性晶面和异质结两者的协同作用，从材料和结构两个方面提高气体传感性能；本专利技术的制备方法简单，构思清楚，原理易懂，通过一步水热反应制备CeO2/石墨烯复合结构；本专利技术制备出的CeO2暴露晶面为(100)活性晶面，对NO2气体具有更高的灵敏度和更快的响应速度；最后本专利技术提供了一种利用异质结增强气敏性能的技术思路和方法。【附图说明】图1为CeO2/RGO复合结构的SEM照片；其中，a、b、c、d、e、f、g和h分别表示实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7和实施例8制备的CeO2/Graphene复合物SEM照片；图2为CeO2/RGO复合结构的TEM照片；其中，a、b、c、d、e、f、g和h分别表示实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7和实施例8制备的CeO2/Graphene复合物TEM照片图3为CeO2/RGO复合结构在常温下对200ppm、100ppm、50ppm、25ppm和10ppm的NO2气体响应恢复曲线；其中，a、b、c、d、e分别表示实施例3、实施例5、实施例6、实施例7和实施例8制备的CeO2/Graphene复合物对200ppm、100ppm、50ppm、25ppm、10ppmNO2气体响应恢复曲线；f表示实施例7制备的CeO2/Graphene复合物对200ppmNO2气体循环4次的响应恢复曲线；图4为CeO2和CeO2/RGO复合结构在常温下对200ppm、100ppm、50ppm、25ppm和10ppm的NO2气体灵敏度柱状图。【具体实施方式】下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术采用水热法制备活性晶面CeO2纳米颗粒与石墨烯复合结构，调整反应过程中乙二醇与去离子水的体积，但是两者的体积比例始终保持为1:1。实施例11)将10mg的石墨烯、10ml乙二醇和10ml去离子水，通过搅拌以及超声波处理进行充分混合，得到均匀分散的混合溶液A；2)将150mg六水合硝酸铈、41.47mg氢氧化钠和300mgPVP溶解于溶液A中，磁力搅拌3h，得到均匀分散的混合溶液B；3)以高压釜为盛放器皿，混合溶液B作为反应物，采用水热法制备CeO2与石墨烯的复合材料；其中，高压釜为特氟龙釜衬配以不锈钢釜套，容积为100mL；反应温度为200℃，反应时间为24h，随炉冷却或者水冷后取出反应产物；4)先用去离子水对混合物清洗2次，然后以8000r/min的速度离心处理10min，接着用无水乙醇清洗3次，再在8000r/min的速度下离心处理10min，最后用去离子水进行清洗，并将清洗后的产物用无水乙醇分散风干，待用；5)将清洗处理后的混合物置于真空烘箱中，在70℃的温度下烘干12h，得到CeO2和石墨烯的复合结构粉末；附图1-a为此条件下制备的CeO2/石墨烯复合结构的SEM照片，可以看出CeO2呈方形结构，负载在石墨烯上；图2-a为此复合结构的TEM照片，可以看出CeO2的暴露晶面为(100)活性晶面。实施例21)将10mg的石墨烯、15ml乙二醇和15ml去离子水，通过搅拌以及超声波处理进行充分混合，得本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将10～30mg石墨烯、10～25ml乙二醇和10～25ml去离子水充分混合，得到均匀分散的混合溶液A；其中，乙二醇与去离子水的体积比为1:1；2)将150～450mg六水合硝酸铈、41.47～124.41mg氢氧化钠和300mg PVP溶解于溶液A中，磁力搅拌3h，得到均匀分散的混合溶液B；其中，六水合硝酸铈与氢氧化钠的物质的量比为1:3；3)将混合溶液B移入高压釜中，在160℃～220℃温度下反应24h制备出立方形态CeO2纳米颗粒与石墨烯的复合材料；4)对复合材料进行清洗和烘干，得到CeO2与石墨烯的复合结构粉末。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将10～30mg石墨烯、10～25ml乙二醇和10～25ml去离子水充分混合，得到均匀分散的混合溶液A；其中，乙二醇与去离子水的体积比为1:1；2)将150～450mg六水合硝酸铈、41.47～124.41mg氢氧化钠和300mgPVP溶解于溶液A中，磁力搅拌3h，得到均匀分散的混合溶液B；其中，六水合硝酸铈与氢氧化钠的物质的量比为1:3；3)将混合溶液B移入高压釜中，在160℃～220℃温度下反应24h制备出立方形态CeO2纳米颗粒与石墨烯的复合材料；4)对复合材料进行清洗和烘干，得到CeO2与石墨烯的复合结构粉末。2.根据权利要求1所述的高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，以600rpm/s的转速磁力搅拌3h并超声波处理30min。3.根据权利要求1所述的高灵敏度气体传感器用纳米CeO2/石墨烯复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：马飞，张立斋，徐可为，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61