一种复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种复合材料及其制备方法与应用，属于传感检测技术领域。该复合材料包含功能化石墨烯和富含氧空位氧化锌；其中，所述功能化石墨烯为有机物修饰的还原石墨烯，所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40％以上。本发明专利技术采用富含氧空位氧化锌中丰富的氧空位，具有良好的光吸收性协同功能化石墨烯具有快速电子传输过程，显著地提高了传感器的灵敏度，并将甲醛的检测下限降低到10ppb。本发明专利技术的复合材料所采用的原料简单易得，成本低，材料环境友好，制备方法简单，适合大规模生产。适合大规模生产。适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于传感检测
，具体涉及一种复合材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]甲醛(HCHO)是一种主要的室内有害挥发性有机物，因其严重健康影响，如引起粘膜炎症、咽喉痛、肺水肿、恶心、呕吐、白血病、妊娠综合征和脑瘤等而广为人知。世界卫生组织(WHO)和美国职业安全与健康管理局(OSHA)已经分别为甲醛设定了80ppb和750ppb的允许接触限值(PEL)。因此，开发痕量甲醛检测用的新材料至关重要。
[0003]光活化气体传感器是一项利用金属氧化物半导体进行室温痕量气体传感检测的技术，与热激活气体传感器相比，该类传感器可以通过更简单的方式显著提升高气体传感性能，如相关技术报道称有研究者利用紫外光催化原理降低了GaN/TiO2纳米线对爆炸物的最低检测限，因此，其在甲醛检测领域具有良好的应用前景。
[0004]金属
‑
氧化物半导体场效应晶体管(MOS)的光激活气体传感器是一类常用的光活化气体传感器，由于其较宽的带隙，使得其大多依赖于紫外辐射。然而，紫外线易引发健康问题，使得其应用过程仍存在一定弊端。
[0005]基于此，开发一种能够用于光活化气体传感器实现痕量甲醛检测的材料具有重要意义。
[0006]本
技术介绍
中所陈述内容并不代表承认其属于已公开的现有技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种复合材料，能够用于光活化气体传感器实现痕量甲醛检测。
[0008]本专利技术还提出上述复合材料的制备方法。
[0009]本专利技术还提出上述复合材料的应用。
[0010]根据本专利技术的一个方面，提出了一种复合材料，所述复合材料包含功能化石墨烯和富含氧空位氧化锌；其中，所述功能化石墨烯为有机物修饰的还原石墨烯；所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40％以上。
[0011]根据本专利技术的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：本专利技术方案的复合材料通过富含氧空位氧化锌与功能化石墨烯复合以调节纳米复合材料的氧空位和电荷分离过程，通过其协同效应，成功实现了在室温、可见光照射下，即可对痕量甲醛发生快速响应和回复，反应灵敏度高，检测限低。富含氧空位的氧化锌，可吸收可见光，通过调节其含量可调节复合材料在可见光区吸收光能，功能化石墨烯提供了接受和转移光电子的途径。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40～60％；优选为45％～50％；更优选为约48％。采用该氧空位含量的氧化锌在可见光区具有较好地吸收率。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，所述有机物为水溶性好且能够与石墨烯发生超分子
相互作用(如氢键，π
‑
π相互作用等)的有机物；优选地，所述有机物选自萘磺酸、5
‑
氨基
‑1‑
萘磺酸、聚苯乙烯磺酸钠、蒽醌
‑2‑
磺酸钠、亚甲基蓝、丙三醇、低聚糖、葡萄糖、蛋白质、氨基酸、马来酸酐、环糊精、聚乙烯亚胺、聚乙二醇类、聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸中的至少一种。采用有机物修饰的作用主要是提高石墨烯的水溶性，若是具有D
‑
π
‑
A结构的分子则还可同时提高材料的电子传输速率，提升其对甲醛的响应性能。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述还原采用的还原剂选自水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠、柠檬酸钠、氢氧化钠、氢碘酸、半胱氨酸、甘氨酸、葡萄糖、对苯二酚、苯二胺、甲醇、乙醇、异丙醇和苯甲醇中的至少一种。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述复合材料通过功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌超分子自组装制备而得。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，所述富含氧空位氧化锌的粒径为10～100nm；优选为20～80nm；更优选为30～50nm。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比为100:(0.01～10)；优选为100:(0.01～5)；更优选为100:(0.05～0.95)；进一步优选地，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比约为100:0.1。优化功能化石墨烯在富含氧空位氧化锌中的掺入量，可调整本专利技术方案的复合材料在可见光区(尤其是405nm下)的光吸收能力，更好地利用可见光催化活化甲醛传感，可实现将甲醛的检测下限降低至10ppb以下，显著提高了传感器的敏感度。
[0018]根据本专利技术的另一个方面，提出了上述复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0019]S1、取含有机物的水溶液与氧化石墨烯分散液的混合物，加入还原剂，加热下反应，得功能化石墨烯；
[0020]S2、将富含氧空位氧化锌分散于步骤S1制得的功能化石墨烯中，得所述复合材料。
[0021]根据本专利技术的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：本专利技术方案的制备方法所用原料廉价易得，使用的原料无毒性且无须使用有机溶剂，绿色环保，同时，操作简便，适合大规模生产，具有良好的工业应用前景。反应过程中利用利用水溶性有机物与石墨烯通过π
‑
π、氢键、静电作用力、范德华力和疏水作用力等非共价键结合，在不破坏石墨烯的二维平面结构、保持石墨烯的本征特性的同时实现还原石墨烯的高水分散性，避免了还原石墨烯的自身共轭堆叠；
[0022]在本专利技术的一些优选实施方式中，所述步骤S1中还包括将加热反应下的产物中未反应的还原剂和有机物除去(优选采用过滤除去)。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤S1中的加热是指加热至60～90℃；优选为约80℃。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤S1中的加热下反应时间为0.5～2h；优选为约1h。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述有机物选自萘磺酸、5
‑
氨基
‑1‑
萘磺酸、聚苯乙烯磺酸钠、蒽醌
‑2‑
磺酸钠、亚甲基蓝、丙三醇、低聚糖、葡萄糖、蛋白质、氨基酸、马来酸酐、环糊精、聚乙烯亚胺、聚乙二醇类、聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸中的至少一种。
[0026]在本专利技术的一些实施方式中，所述还原剂选自水合肼、抗坏血酸、硼氢化钠、柠檬酸钠、氢氧化钠、氢碘酸、半胱氨酸、甘氨酸、葡萄糖、对苯二酚、苯二胺、甲醇、乙醇、异丙醇
和苯甲醇中的至少一种。
[0027]在本专利技术的一些优选的实施方式中，所述有机物、还原剂和氧化石墨烯的质量比为5～15:1～3:1；优选为约10:2:1。
[0028]在本专利技术的一些实施方式中，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比为100:(0.01～10)；优选为100:(0.01～5)；更优选为100:(0.05～0.95)；进一步优选地，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比约为100:0.1。优化功能化石墨烯在富含氧空位氧化锌中的掺入量，可调整本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于：所述复合材料包含功能化石墨烯和富含氧空位氧化锌；其中，所述功能化石墨烯为有机物修饰的还原石墨烯，所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40％以上。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40～60％；优选为45％～50％；更优选为约48％；优选地，所述富含氧空位氧化锌的粒径为10～100nm；优选为20～80nm；更优选为30～50nm；优选地，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比为100:(0.01～10)；优选为100:(0.01～5)；更优选为100:(0.05～0.95)；进一步优选地，所述功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌的质量比约为100:0.1。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述复合材料通过功能化石墨烯与富含氧空位氧化锌超分子自组装制备而得。4.一种复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、取含有机物的水溶液与氧化石墨烯分散液的混合物，加入还原剂，加热下反应，得功能化石墨烯；S2、将富含氧空位氧化锌分散于步骤S1制得的功能化石墨烯中，得所述复合材料；其中，所述富含氧空位氧化锌是指氧空位含量在40％以上。5.根据权利要求4所述复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的加热是指加热至60～90℃；优选为约80℃；优选地，所述步骤S1中的加热下反应时间为0.5～2h；优选为约1h。6.根据权利要求4所述复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机物、还原剂和氧化石墨烯的质量比为5～15:1～3:1；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：王耀，梁红萍，周国富，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：