[发明专利]一种基于二氧化钛/石墨烯的二氧化氮传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二氧化钛/石墨烯的二氧化氮传感器及制备方法，具体涉及一种以二氧化钛/石墨烯为气敏材料的电阻式传感器，依据二氧化钛/石墨烯敏感膜在工作温度下电阻变化量的标定，实现对NO₂检测。

背景技术

NO₂是一种高度关注的大气污染物，是臭氧和酸雨形成的重要因素。经常暴露于高浓度的NO₂气体环境中，会引起呼吸系统的疾病。车辆废气排放、工业染料燃烧以及硝酸含氮肥料生产过程都会使周围环境中的NO₂浓度增加。同时，在某些特殊场合，需要对NO₂进行实时监测，如航天器推进剂常用的硝基氧化剂易分解成NO₂，需对推进剂是否泄露进行监测。因此，NO₂的检测对于环境保护、人类健康以及安全生产具有重要意义，灵敏度高、工作温度范围广、响应速度快的NO₂传感器的研制十分必要。

金属氧化物在气体检测方面兼有吸附和催化双重效应，属于表面控制型。在NO₂检测方法中，金属氧化物电阻式传感器具有结构简单、制作方便等优点。金属氧化物电阻式传感器一般基于氧化性或还原性气体在金属氧化物表面吸附或脱附时，氧化物电阻发生变化得到测量信号。然而，该类半导体传感器使用温度较高（200℃-500℃），因此开发工作温度低（室温至200℃）的NO₂传感器具有重要的现实意义。

石墨烯是一种具有二维平面结构的碳纳米材料，其基本结构单元为稳定的六元环。其特殊的单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质，包括大的比表面积、良好的导电性能等。利用其大的比表面积可以增强气体的吸附。

发明内容

本发明目的在于，提供一种基于二氧化钛/石墨烯的二氧化氮传感器及制备方法，该传感器是由陶瓷基底、电极、二氧化钛/石墨烯复合材料、加热器及热电偶和信号处理部分组成，使用二氧化钛/石墨烯复合材料为NO₂气敏功能材料，通过测量NO₂吸附至材料表面时材料电阻的变化达到对NO₂传感的目的；测量信号为传感器电阻变化或由此引起的电路中电压、电流变化；本发明所述的传感器具有工作温度低、温度响应范围宽、灵敏度高、检测限高、响应时间短的特征。

本发明所述的一种基于二氧化钛/石墨烯的二氧化氮传感器，该传感器是由陶瓷基底、电极、二氧化钛/石墨烯复合材料、加热器及热电偶、信号处理部分和扬声器组成，在陶瓷基底（1）上固定电极（2），通过二氧化钛/石墨烯复合材料（3）将电极（2）连通，电极（2）与信号处理器（5）连接，加热器及热电偶（4）固定在陶瓷基底（1）的底部，将二氧化钛/石墨烯复合材料（3）用水或乙醇调成浆料，采用喷涂、涂抹或电化学沉积的方法涂于带有银、金或铜电极（2）的陶瓷基底（1）上，自然晾干即可。

所述的基于二氧化钛/石墨烯的二氧化氮传感器的制备方法，按下列步骤进行：

二氧化钛/石墨烯复合材料（3）的制备：

a、使用常规Hummer方法制备氧化石墨烯分散液，再将制备的氧化石墨烯分散液浓缩至10μg/mL-10 mg/mL,；

b、取氧化石墨烯分散液，加入浓度为1 mmol/L-1 mol/L的TiCl₄或钛酸四丁酯溶液，搅拌均匀，在室温-100 ℃条件下反应1 -168 h，得到混合物；

c、将步骤b得到的混合物，反复使用水和乙醇分别进行超声分散和离心分离；

d、将分离后的沉淀，温度10-90℃条件下干燥，在保护气氛为N₂、He、Ar惰性气体下，温度300-800℃条件下退火10min-3小时，得到质量比为1000:1-20:3的二氧化钛/石墨烯复合材料；

传感器的制备：

e、在陶瓷基底（1）上固定电极（2），通过二氧化钛/石墨烯复合材料（3）将电极（2）连通，电极（2）与信号处理器（5）连接，加热器及热电偶（4）固定在陶瓷基底（1）的底部，将得到的二氧化钛/石墨烯复合材料（3）用水或乙醇调成浆料，采用喷涂、涂抹或电化学沉积的方法涂于带有银、金或铜电极（2）的陶瓷基底（1）上，自然晾干即可。

步骤a氧化石墨烯分散液浓缩浓度为3.6 mg/mL。

步骤b中的TiCl₄或钛酸四丁酯溶液浓度为0.1 mol/L，反应温度70℃，时间48h。