一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯(SnS

A 3D flexible tin disulfide / graphene gas sensor for nitrogen dioxide detection

【技术实现步骤摘要】
一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器的制备方法
本专利技术属于气体传感器
，涉及一种3D柔性二硫化锡/石墨烯(SnS2/RGO)气体传感器及其制备方法。
技术介绍
随着工业和农业的迅速发展，有毒气体和易燃气体的排放严重危害环境健康，例如氮氧化物、硫氧化物和碳氧化物。其中，二氧化氮(NO2)可导致呼吸系统和心血管疾病，还可引起酸雨和光化学烟雾，被认为是典型的空气污染物，国际标准中规定NO2的年安全浓度阈值为53ppb。NO2也被广泛应用于农业、医学、军事和采矿领域。例如合成制造炸药和肥料以及作为诊断肺部疾病和胃肠道疾病的生物标记物等，因此，一种具有高灵敏度、高特异性、低检出限的NO2气体传感器是目前环境监测和医疗诊断行业迫切需要的，有助于实现NO2的高可靠实时监控。石墨烯的独特二维共轭结构具有超高载流子迁移率，可有效增加复合材料的载流子传输速度和传导效率，从而大幅提高响应倍率，缩短响应回复时间，并降低传感器的工作温度，是制备气体检测传感器的高性能材料。传统的金属氧化物制成的气敏传感器需求高温检测和氧气环境，基于石墨烯复合材料制备的气敏传感器则可实现室温下检测，可显著降低能耗，且适用于日常生活检测需求。石墨烯可以自组装成3D多孔结构复合材料，可用于超级电容器、吸附材料、传感器等。与2D结构相比，3D结构的石墨烯可提供更多的比表面积和反应位点，从而大幅提升检测灵敏度。对于NO2气敏检测而言，基于石墨烯的气敏传感器选择性较差，限制了其实用性。二硫化锡(SnS2)可单独作为NO2气敏材料使用，它对NO2分子具有极强的特异性吸附能力，检出限可低至1ppm以下，然而无法实现在室温下检测NO2，限制了基于SnS2的气敏传感器在一般环境下的应用。因此在石墨烯上修饰对NO2敏感的SnS2，可结合两者的性能优势，制备具有高灵敏度、高选择性、高可靠且可在常温下使用的NO2气敏传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决需要高灵敏度、高选择性、高可靠且可在常温下使用的NO2气敏传感器的问题，而提供一种用于NO2检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯(SnS2/RGO)气体传感器的制备方法。本专利技术制备的气体传感器包括柔性基底和电极层，所述柔性基底表面修饰所述电极层，其中所述电极层包括3DSnS2/RGO异质结构层。本专利技术使用LCP作为柔性基底材料。本专利技术的另一目的是提供一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器的制备方法。具体包括以下步骤：S1、3DSnS2/RGO的制备：在持续搅拌条件下，将硫代乙酰胺和五水合氯化锡加入氧化石墨烯溶液中，所得混合物超声溶解后转移到反应釜中进行水热反应，将所得产物离心处理并洗涤，获得固态SnS2/RGO产物；S2、SnS2/RGO气体传感器的制备：使用光刻胶在硅片上绑定双面覆铜的LCP薄膜，通过蚀刻方式去除所述LCP薄膜表面裸露的铜层，在其表面旋涂光刻胶层，溅射Cr/Au层，采用剥离技术在LCP基板上加工叉指电极，将所述步骤S1制得的固态SnS2/RGO再分散在去离子水中制得水分散体，将其沉积在LCP基板的叉指电极表面，风干后制得气体传感器。本专利技术制备的3DSnS2/RGO传感器的检测性能与SnS2传感器相比高出三个数量级，本专利技术通过在3DRGO上修饰SnS2的方式大幅降低了器件电阻值，提升了传感器整体检测性能。进一步，所述步骤S1中，硫代乙酰胺、五水合氯化锡和氧化石墨烯的质量比为30∶35∶4。进一步，所述步骤S1中，所述水热反应条件为在180℃条件下加热10～12h。本专利技术使用精细加工技术在柔性LCP基材上加工叉指电极阵列，并将3DSnS2/RGO结构的沉积在基材表面，反复弯折LCP基板，修饰电极与SnS2/RGO结构并未产生剥离现象，表明修饰的SnS2/RGO结构具有强附着力，传感器可用于可穿戴设备及柔性器件。进一步，所述步骤S2中，所述硅片厚度为300μm。进一步，所述步骤S2中，所述旋涂光刻胶厚度为5μm。进一步，所述步骤S2中，溅射Cr层厚度为8nm，Au层厚度为280nm。进一步，所述步骤S2中，所述水分散体的浓度为2.0mg/mL。采用SEM、拉曼光谱和XPS等方式对本专利技术制备的3DSnS2/RGO进行表征。如附图2所示，为本专利技术制备的3DSnS2/RGO的SEM图。图中可看出，本专利技术制备的SnS2/RGO结构拥有多孔结构，孔洞尺寸范围为几百纳米至几微米，有利于NO2分子的扩散和吸附。水热反应之后，亲水性氧化石墨烯脱氧变为石墨烯，并恢复共轭结构，因其疏水相互作用及相互作用形成了3D多孔结构。如附图3所示，为本专利技术制备的3DSnS2/RGO的拉曼光谱图。图中可看出，SnS2/RGO与GO(氧化石墨烯)的拉曼光谱上出现了两个典型峰，分别位于1354cm-1处的D波段和1590cm-1处的G波段，D波段和G波段分别对应了石墨烯2Dmode的无序和一阶散射，ID：IG从GO的0.90升至SnS2/RGO的1.17，表明水热反应之后石墨烯表面缺陷位点的增加，石墨烯上的缺陷位点可作为NO2的活性吸附位点，有助于NO2检测的灵敏度提升，而在SnS2/RGO的拉曼光谱上可观察到位于311cm-1处的峰，在GO的光谱图上则观察不到，验证了石墨烯表面的SnS2的形成。如附图4所示，为本专利技术制备的3DSnS2/RGO的XPS图谱。图中可看出，SnS2/RGO的组成为高含量的C(75.18％at％)、少量O(16.15％at％)、Sn(2.48％at％)和S(6.19％at％)，而GO的组成为C(65.5％at％)和O(34.5％at％)。对本专利技术制备的3DSnS2/RGO气体传感器进行NO2气体检测性能测试。如附图5所示，为本专利技术实施例1制备的SnS2/RGO与传统SnS2和RGO(石墨烯)气体传感器在常温下对0.5～8ppmNO2气体的响应曲线。图中可看出，SnS2/RGO传感器和RGO传感器的响应数据随着NO2气体浓度增加而增加，SnS2/RGO传感器和RGO传感器对于8ppm的NO2气体的响应率变化分别为49.5％和2.2％，可以得出结论，在RGO上修饰SnS2之后，本专利技术制备的SnS2/RGO气体传感器针对NO2气体的响应性能是石墨烯传感器的22.6倍。如附图6所示，为本专利技术实施例1制备的SnS2/RGO气体传感器在常温下对0～400ppbNO2气体的响应曲线。这表明本专利技术制备的SnS2/RGO气体传感器拥有检测极低浓度NO2气体的能力，而石墨烯气体传感器并不具备这一性能。如附图7所示，为本专利技术实施例1制备的SnS2/RGO气体传感器与传统SnS2和RGO气体传感器在常温下对0～8ppmNO2气体连续测试的线性拟合曲线。这表明本专利技术制备的SnS2/RGO气体传感器拥有对NO2气体的响应性能，计算可得出，SnS2/RGO气体传感器的灵敏度为6.1ppm-1，检出限为8.7ppb，比石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括柔性基底和电极层，所述柔性基底表面修饰所述电极层，其中所述电极层包括3D SnS

【技术特征摘要】
1.一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括柔性基底和电极层，所述柔性基底表面修饰所述电极层，其中所述电极层包括3DSnS2/RGO异质结构层。


2.根据权利要求1所述的一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器，其特征在于，所述柔性基底材料为LCP。


3.根据权利要求1所述的一种用于二氧化氮检测的3D柔性二硫化锡/石墨烯气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、3DSnS2/RGO的制备：在持续搅拌条件下，将硫代乙酰胺和五水合氯化锡加入氧化石墨烯溶液中，所得混合物超声溶解后转移到反应釜中进行水热反应，将所得产物离心处理并洗涤，获得固态SnS2/RGO产物；
S2、SnS2/RGO气体传感器的制备：使用光刻胶在硅片上绑定双面覆铜的LCP薄膜，通过蚀刻方式去除所述LCP薄膜表面裸露的铜层，在其表面旋涂光刻胶层，溅射Cr/Au层，采用剥离技术在LCP基板上加工叉指电极，将所述步骤S1制得的固态SnS2/RGO再分散在去离子水中制得水分散体，将其沉积在LCP基板的叉指电极表面，风干后制得气体传感器。


4.根据权利要求3所述方法制...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴进，奚亚男，胡淑锦，
申请(专利权)人：惠州市钰芯电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44