一种石墨烯基气敏材料及其制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯基气敏材料及其制备方法及其应用，其制备方法包括如下步骤：步骤S1，准备氧化石墨烯；步骤S2，采用水热法制备石墨烯和硫化锡的复合材料，使硫化锡片层在静电吸附作用下，在氧化石墨烯的表面结晶生长，同时，氧化石墨烯在水热作用下还原生成石墨烯。采用本发明专利技术技术方案，通过硫化锡和石墨烯的协同作用，在室温下可以快速吸附二氧化氮分子，具有极高的灵敏度，在室温下也可以快速脱附，有利于在短时间内进行多次气敏响应，且对除二氧化氮外其他气体几乎不产生响应；制备方法快速、简便，可重复，易于控制。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基气敏材料及其制备方法及其应用
本专利技术属于新材料
，尤其涉及一种石墨烯基气敏材料及其制备方法及其应用。
技术介绍
在环境保护、工业生产、医疗诊断等方面，二氧化氮气体的检测有着重要的作用。美国环境保护组织（EPA）认为超过100ppb浓度的二氧化氮气体就会对人体产生危害。目前，针对二氧化氮的气体传感器中的核心气敏传感材料主要为半导体金属氧化物。这类气敏材料需要较高的传感温度，在室温环境下需要进行加热，因而难以进行迅速响应。并且这类气敏材料对目标气体难以解吸附，进行一次传感反应后，需要在高温环境下进行一定时间的解吸附反应才可以进行下一次传感，这极大地限制了传感器的可重复性检测的能力。并且，目前的气敏材料主要针对百万分之一浓度的目标气体进行检测（ppm级别），且灵敏度较低，对更低浓度的目标气体（十亿分之一浓度，即ppb级别）则难以进行检测。此外，由于目前的传感器选择性较差，检测环境中的其他气体容易对传感器产生干扰。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种石墨烯基气敏材料及其制备方法及其应用，解决了目前的传感器选择性较差，以及检测环境中的其他气体容易对传感器产生干扰的问题。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种石墨烯基气敏材料的制备方法，其包括如下步骤：步骤S1，准备氧化石墨烯；步骤S2，采用水热法制备石墨烯和硫化锡的复合材料，使硫化锡片层在静电吸附作用下，在氧化石墨烯的表面结晶生长，同时，氧化石墨烯在水热作用下还原生成石墨烯。采用此技术方案得到的复合材料在室温下可以快速吸附二氧化氮分子，具有极高的灵敏度，对ppb级别的二氧化氮气体具有极高灵敏度，可以快速反应和恢复，选择性好，可以满足目前的气敏传感需求；在室温下也可以快速脱附，且对除二氧化氮外其他气体几乎不产生响应，可用于室温下十亿分之一浓度二氧化氮的气体检测。这种气敏材料在极低浓度下的气体检测具有广阔的应用前景。该材料的制备方法具有快速，简便，可重复易于控制等优点。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2的反应中，以锡酸钾作为锡源，l-半胱氨酸作为硫源，CTAB作为链接剂。作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，先将CTAB溶解到去离子水中，加入氧化石墨烯，进行超声分散，使氧化石墨烯充分分散，得到氧化石墨烯分散溶液；继续搅拌，使得氧化石墨烯和CTAB充分吸附；加入锡酸钾和l-半胱氨酸，继续搅拌，然后进行水热反应，冷却后进行离心、洗涤。作为本专利技术的进一步改进，水热反应的温度为180-250℃。进一步的，所述水热反应的温度为200℃。作为本专利技术的进一步改进，搅拌的转速为300~400r/min，搅拌时间为1-3h。作为本专利技术的进一步改进，所述氧化石墨烯与硫化锡的质量比为1：20~160。进一步的，所述氧化石墨烯与硫化锡的质量比为1：140~160，或所述氧化石墨烯与硫化锡的质量比为1：25~30。当所述氧化石墨烯与硫化锡的质量比为1：140~160，得到的复合材料为n型气敏材料。所述氧化石墨烯与硫化锡的质量比为1：25~30，得到的复合材料为p型气敏材料。采用此技术方案，可以根据需要调节石墨烯和硫化锡的比例，气敏材料可以产生半导体p-n类型的转化，这样对二氧化氮气体可以产生不同响应。作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，采用氧化剂将天然石墨进行氧化，使其表面产生含氧官能团，进而膨胀剥离得到氧化石墨烯。本专利技术还公开了一种石墨烯基气敏材料，其采用如上任意一项所述的石墨烯基气敏材料的制备方法制备得到。本专利技术还公开了一种如上所述的石墨烯基气敏材料的应用，所述石墨烯基气敏材料用于二氧化氮气体的检测。进一步的，所述石墨烯基气敏材料用于ppb级含量的二氧化氮气体的检测。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：第一，采用本专利技术技术方案，利用硫化锡独特的气敏性能，通过水热合成的方法，将硫化锡和石墨烯材料复合，制备出具有高灵敏度的室温气敏材料，硫化锡对二氧化氮气体具有极高的吸附能，作为目标气体的吸附位点；石墨烯具有的零带隙结构，在复合材料中为硫化锡材料提供了导电通路，使得目标气体上的电荷可以迅速转移，产生明显的电阻变化。硫化锡片层在石墨烯表面相互堆叠，具有较高的比表面积，进一步增加了气体的吸附作用。通过硫化锡和石墨烯的协同作用，在室温下可以快速吸附二氧化氮分子，具有极高的灵敏度，在室温下也可以快速脱附，有利于在短时间内进行多次气敏响应，且对除二氧化氮外其他气体几乎不产生响应。第二，通过调节石墨烯和硫化锡的比例，气敏材料可以产生半导体p-n类型的转化，对二氧化氮气体产生不同响应。该材料对ppb级别的二氧化氮气体具有极高灵敏度，可以快速反应和恢复，选择性好，可以满足目前的气敏传感需求。并且这种材料在不同复合比例时会产生传感类型的转化，对目标气体产生不同的传感响应。第三，本专利技术的制备方法快速、简便，可重复，易于控制。附图说明图1是本专利技术实施例1得到的石墨烯基气敏材料的SEM图像。图2是本专利技术实施例1得到的石墨烯基气敏材料对二氧化氮的气敏响应动态曲线。图3是本专利技术实施例2得到的石墨烯基气敏材料对二氧化氮的气敏响应动态曲线。图4是本专利技术实施例2得到的石墨烯基气敏材料对二氧化氮的传感性能曲线。具体实施方式下面对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。实施例1一种石墨烯基气敏材料，其采用如下步骤制备得到：（1）制备氧化石墨烯。采用改进Hummers法制备氧化石墨烯。氧化过程的原理是采用强氧化剂将天然石墨进行氧化，使其表面产生含氧官能团，进而膨胀剥离得到氧化石墨烯。（2）将0.6mmolCTAB超声溶解到20ml去离子水中，加入氧化石墨烯1mg，超声1h，使得氧化石墨烯充分分散。将溶液300~400r/min搅拌2h，使得氧化石墨烯和CTAB充分吸附。加入锡酸钾1mmol，l-半胱氨酸4mmol，继续搅拌30min。加入去离子水，将溶液调制40ml，倒入50ml反应釜中，200摄氏度水热反应24h。冷却至室温后，8000r/min离心10min，洗涤至上清液澄清。将沉淀物在60℃下干燥24h，获得硫化锡/石墨烯复合材料，此复合材料为n型气敏材料。该复合材料的SEM图如图1所示，对二氧化氮的气敏响应动态曲线如图2所示，可见，对于1ppm的二氧化氮的灵敏度高，对ppb含量级的二氧化氮也具有很好的灵敏度，而且恢复时间短，可以在短时间内进行多次气敏响应。实施例2在实施例1的基础上，本实施例的不同在于，加入氧化石墨烯为5mg，得到的复合材料为p型气敏材料，该材料对二氧化氮的气敏响应动态曲线如图3所示，该材料对于二氧化氮传感性能如图4所示。可见，对1ppm的二氧化氮灵敏度达到了45%以上，对ppb含量级的二氧化氮具有很好的灵敏度。以上内容是结合具体的优选实施方式对本专利技术所作的进一步详细说明，不能认定本专利技术的具体实施只局限于这些说明。对于本专利技术所属
的普通技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯基气敏材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：/n步骤S1，准备氧化石墨烯；/n步骤S2，采用水热法制备石墨烯和硫化锡的复合材料，使硫化锡片层在静电吸附作用下，在氧化石墨烯的表面结晶生长，同时，氧化石墨烯在水热作用下还原生成石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基气敏材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤S1，准备氧化石墨烯；
步骤S2，采用水热法制备石墨烯和硫化锡的复合材料，使硫化锡片层在静电吸附作用下，在氧化石墨烯的表面结晶生长，同时，氧化石墨烯在水热作用下还原生成石墨烯。


2.根据权利要求1所述的石墨烯基气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤S2的反应中，以锡酸钾作为锡源，l-半胱氨酸作为硫源，CTAB作为链接剂。


3.根据权利要求1所述的石墨烯基气敏材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，先将CTAB溶解到去离子水中，加入氧化石墨烯，进行超声分散，使氧化石墨烯充分分散，得到氧化石墨烯分散溶液；继续搅拌，使得氧化石墨烯和CTAB充分吸附；加入锡酸钾和l-半胱氨酸，继续搅拌，然后进行水热反应，冷却后进行离心、洗涤。


4.根据权利要求3所述的石墨烯基...

【专利技术属性】
技术研发人员：矫维成，黄亦凡，王荣国，赫晓东，
申请(专利权)人：深圳烯创先进材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44