一种气体传感器敏感材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种气体传感器敏感材料及其制备方法：将石墨烯与浓硫酸和浓硝酸混合后制备得到的产物，经抽滤后，溶于液体中透析，取透析袋外的溶液，干燥得到石墨烯量子点，所述石墨烯量子点和所述四羧基金属酞菁在同一个数量级；取乙二胺、四羧基金属酞菁和所述石墨烯量子点溶于水和N，N

【技术实现步骤摘要】
一种气体传感器敏感材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及气体检测
，特别是涉及一种气体传感器敏感材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的器件，其与气体接触反应的核心成分即敏感材料。目前，商用气体传感器主要以传统金属氧化物半导体和固态电解质作为敏感材料为主，其对气体检测浓度在一百万分之一量级(ppm)，并存在诸如需要在较高温度下工作，消耗功率大，灵敏度低，抗干扰能力差等问题。
[0003]随着纳米技术的飞速发展，近年来基于石墨烯(Graphene,GR)纳米材料制备的气体传感器有了大量的研究报道，其优异的性能，如大的比表面积、高的化学稳定性和优良的导电性，成为制作纳米气体传感器的理想材料之一。
[0004]2007年，Schedin等人首次将石墨烯用作气敏材料，在常温下即可对ppb量级的NO2气体表现出响应性能[Schedin,F.,Geim,A.K.,Morozov,S.V.,et al.Detection of individual gas molecules adsorbed on graphene[J].Nature Materials.2007,6(9):652
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655.]。Lv等人合成的石墨烯薄片可以探测1ppb量级的NO2气体和1ppm级别的NH3气体[Lv,R.,Chen,G.,Li,Q.,et al.Ultrasensitive gas detection of large
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area boron
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doped graphene[J].Proceedings of the National Academy of Sciences.2015,112(47):14527
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14532.]。
[0005]但是，GR气体传感器还存在一些问题需要通过进一步的研究探索加以解决，例如，基于单一GR薄片的气体传感器虽然在实验上可行，但其制作工艺复杂、成本高、单一纳米结构容易损坏且不可靠。单一GR薄片通常在堆砌形成导电网络的过程中，形成致密的结构，易阻碍和粘滞气体分子，从而不利于导电网络内部的GR薄片与气体分子充分接触。因此，进一步提高GR气体传感器的气敏性能，十分紧迫和需要。考虑到GQDs作为碳纳米材料会对气体分子存在吸附量大但解脱附慢的特点，如何实现GQD气体传感器对气体分子的快速响应和恢复是其研究的关键所在。
[0006]通常使用复合材料的协同效应是解决这类关键问题的有效方法。金属酞菁(Metal Phthalocyanine,MPc)具有独特的大环共轭结构，是一种性能优异的有机半导体材料，因此可作为敏感材料来制备有机气体传感器。相比传统金属氧化物半导体传感器和固态电解质传感器，MPc气体传感器具有原料来源丰富、成本低、制膜工艺简单、易于与其它技术兼容且能在室温下工作等优点。专利《一种基于金属酞菁的气体传感器的制备方法及其使用方法》(申请号：CN201810162282.3)，将金属酞菁溶于N,N
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二甲基甲酰胺和水的混合溶液中，滴于电极上，干燥后形成覆盖于电极上的金属酞菁薄膜。使用时，将传感器置于密闭腔体内，于所述密闭腔体内充入预设浓度的检测气体并维持预设浓度气体氛围，恢复时则于所述密闭腔体内充入干燥空气或氮气，并使用激光照射传感器，使检测气体脱附，该方法可有效解决
现有技术中的金属酞菁气体传感器响应和恢复速度慢及无法常温检测的问题。但金属酞菁导电性较差(兆欧级别)，需要高精度半导体测试仪器，并且响应和恢复慢(数十分钟)，影响了传感器在实际使用中的检测效率；而且金属酞菁结晶为颗粒状，无法形成大面积的导电网络结构，浓度较低时容易形成断点而导致无法导通，浓度增加则容易导致薄膜厚度太大增加电导率，这些给传感器的实际生产带来了不便。

技术实现思路

[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种气体传感器敏感材料及其制备方法，用于解决现有技术中单一GR薄片通常在堆砌形成导电网络的过程中，形成致密的结构，易阻碍和粘滞气体分子，从而不利于导电网络内部的GR薄片与气体分子充分接触，影响气体传感器气敏性能的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种气体传感器敏感材料的制备方法，包括以下步骤：将石墨烯与浓硫酸和浓硝酸混合后制备得到的产物，经抽滤后溶于液体中透析，取透析袋外的溶液，干燥得到石墨烯量子点，所述石墨烯量子点和所述四羧基金属酞菁的尺寸在同一个数量级；取乙二胺、四羧基金属酞菁和所述石墨烯量子点溶于水和N，N
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二甲基甲酰胺混合溶液中进行反应后，经干燥得到固体产物。石墨烯量子点和金属酞菁在同一个数量级，结合后不易堆叠，不易干扰金属酞菁的响应性能。数量级指一系列10的幂，即相邻两个数量级之间的比为10。
[0009]优选地，步骤S1：取石墨烯与浓硫酸和浓硝酸混合超声6～12h，上述三者质量比为1：0.1～1：0.1～1；步骤S2：将步骤S1的混合溶液稀释并抽滤得到固体产物，将所述固体产物重新溶于去离子水中并用氢氧化钠调节pH至7～9后，转移至反应釜水热处理180～220℃保持8～12h；步骤S3：将步骤S2中的产物冷却，经抽滤后溶于去离子水中透析5～10天，取透析袋外的溶液，旋蒸得到石墨烯量子点；步骤S4：取乙二胺、四羧基金属酞菁和步骤S3中的所述石墨烯量子点，三者质量比为0.05～0.5：1：0.1～1，溶于水和N，N
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二甲基甲酰胺混合溶液中，两者比例为1～9：1；步骤S5：将步骤S4中的溶液进行超声分散15～60min，超声功率为100～600W，然后转移到高压反应釜中180～250℃反应6～12小时；步骤S6：将步骤S5中的产物清洗并冷冻干燥12～24h后，将所得固体于真空环境中200～500℃退火2～8h。
[0010]优选地，所述气体传感器敏感材料具有导电网络微纳结构。
[0011]优选地，所述透析袋规格为5000Da到10000Da。本专利技术通过选用合适规格的透析袋，控制石墨烯量子点的尺寸小于10nm，使其尺寸与金属酞菁在同一个数量级。
[0012]优选地，所述四羧基金属酞菁为钴酞菁。
[0013]优选地，所述气体传感器敏感材料用于NO2气体的检测。
[0014]优选地，所述石墨烯量子点具有羧基。
[0015]优选地，所述石墨烯量子点的尺寸为4～6nm。
[0016]本专利技术还提供一种气体传感器敏感材料，所述气体传感器敏感材料具有导电网络微纳结构。
[0017]优选地，所述气体传感器敏感材料对NO2的响应，在100ppm时响应值达到12.5～30.8；最低响应极限为0.05ppm，在0.05ppm时响应值达到0.007～0.04。
[0018]如上所述，本专利技术的一种气体传感器敏感材料及其制备方法，具有以下有益效果：
[0019]本专利技术中，我本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器敏感材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将石墨烯与浓硫酸和浓硝酸混合后制备得到的产物，经抽滤后溶于液体中透析，取透析袋外的溶液，干燥得到石墨烯量子点，所述石墨烯量子点和所述四羧基金属酞菁的尺寸在同一个数量级；取乙二胺、四羧基金属酞菁和所述石墨烯量子点溶于水和N，N
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二甲基甲酰胺混合溶液中进行反应后，经干燥得到固体产物。2.根据权利要求1所述气体传感器敏感材料的制备方法，其特征在于：步骤S1：取石墨烯与浓硫酸和浓硝酸混合超声6～12h，上述三者质量比为1：0.1～1：0.1～1；步骤S2：将步骤S1的混合溶液稀释并抽滤得到固体产物，将所述固体产物重新溶于去离子水中并用氢氧化钠调节pH至7～9后，转移至反应釜水热处理180～220℃保持8～12h；步骤S3：将步骤S2中的产物冷却，经抽滤后溶于去离子水中透析5～10天，取透析袋外的溶液，旋蒸得到石墨烯量子点；步骤S4：取乙二胺、四羧基金属酞菁和步骤S3中的所述石墨烯量子点，三者质量比为0.05～0.5：1：0.1～1，溶于水和N，N
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二甲基甲酰胺混合溶液中，两者比例为1～9：1；步骤S5：将步骤S4中的溶液进行超声分散15～60min，超声功率为100～600W，然后转移到高压反应釜中180～250℃反应6...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋梦琳，卢治中，蒋文凯，周鑫磊，郑跃，张涛，李克杰，黄杰仕，泮宇康，
申请(专利权)人：铂瑞赛斯仪器科技嘉兴有限公司，
类型：发明
国别省市：