[发明专利]一种基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种具有室温气敏响应特性的石墨烯基电阻型气体传感器及其制作方法，特别是涉及一种基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及制作方法。

背景技术

随着工农业和交通运输业的快速发展，环境污染问题越来越突出。尤其是近年来有毒有害气体、易燃易爆气体的排放量日益增加，对环境中的气体进行准确、连续的检测成为亟待解决的问题，这就为气体传感器的应用提供了广阔的空间。气体传感器是一类重要的化学传感器，在工农业生产、过程控制、环境监测与保护和反恐等领域有着广泛的应用。研制具有高灵敏度、低成本、低功耗、小型化等优点的高性能气体传感器成为科研领域和产业界的研究热点。其中，敏感材料是气体传感器的核心，提高气体传感器性能的关键是开发具有优异响应特性的气敏材料。目前，以二氧化锡、氧化锌为代表的半导体氧化物成为使用最为广泛的一类敏感材料，其具有制备方便、成本低廉、来源广泛等优点，但同时也存在一些不足，例如，稳定性较差，受湿度影响较大，选择性不够理想等。特别是基于金属氧化物的气体传感器都需要在较高的温度下工作，这使得元件的功耗较大，难以制备便携式仪器。同时高的工作温度直接影响传感器的稳定性，而且也不能用于存在易燃易爆气体的环境中，使其应用受到一定的限制。为了解决这一问题，降低传感器的工作温度、开发室温工作的气敏材料受到研究者的广泛关注。研究者们尝试制备金属氧化物与导电聚合物的复合材料，研制可室温工作的气体传感器。尽管实现了室温检测气体，但是金属氧化物与导电聚合物复合材料表现出灵敏度低、响应恢复慢等问题，严重阻碍其进一步应用。近年来，以石墨烯为代表的二维碳基纳米材料发展迅速，成为材料界研究的热点。石墨烯具有的室温导电性和快的载流子迁移率为开发室温工作的气敏材料提供了新的思路。研究发现石墨烯材料确实可以实现室温检测气体。此外，石墨烯与半导体氧化物复合可以进一步地提高石墨烯基气体传感器的灵敏度，提高响应恢复速率，甚至有望实现室温下的高灵敏气体检测。开发石墨烯基室温气体传感器成为传感器领域研究的重要方向之一，发展非常迅速。

发明内容

本发明的目的是提供一种在室温下具有高灵敏度气体响应特性的石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器及其制作方法。

本发明的基于石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌复合材料的电阻型气体传感器，以单晶硅为衬底，采用热氧化法在单晶硅表面生成二氧化硅层，厚度为150～300nm；在二氧化硅层表面沉积3～5对叉指金电极，电极的宽度为50～100μm，电极的厚度为50～200nm，在叉指金电极上连接有引线，在二氧化硅层和叉指金电极表面涂覆有气体敏感薄膜，该气体敏感薄膜为石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌三元复合材料，薄膜的厚度为10～50μm；气体敏感薄膜接触待测气体前后，其电阻会发生变化，通过测量叉指金电极间电阻的变化，可以获得传感器的灵敏度。

所述三元复合材料中，石墨烯、多壁碳纳米管、氧化锌的质量比为1：0.4～20：18～900，三元复合材料为三维多孔结构，孔尺寸为2～8nm，BET比表面积为300～450m²/g。

本发明所述的石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌三元复合材料电阻型气体传感器的制备方法，其步骤如下：

(1)以单晶硅为衬底，采用热氧化法在单晶硅表面生成二氧化硅层，厚度为150～300nm；在二氧化硅层表面沉积3～5对叉指金电极，电极的宽度为50～100μm，电极的厚度为50～200nm；

(2)用乙醇、水依次超声清洗表面印有叉指金电极的二氧化硅，烘干待用；

(3)配制氧化石墨烯水溶液，氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1mg/mL～5mg/mL，然后加入多壁碳纳米管，超声分散使其混合充分，制得石墨烯/多壁碳纳米管复合溶液，将上述复合液加到甲醇溶液中，氧化石墨烯与甲醇的重量比为1：4000～200000；然后加入硝酸锌和氢氧化钾，氧化石墨烯、多壁碳纳米管、硝酸锌和氢氧化钾的重量比为1：0.2～10：2～100：4～200，搅拌及超声使其分散均匀；将上述溶液放到油浴中在60～80℃下反应1～12小时，制得氧化石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌三元复合材料溶液；然后，向上述体系中加入水合肼，氧化石墨烯与水合肼的重量比为1：0.064～3.2，在80～90℃反应2～3小时，从而制得石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌三元复合材料溶液；将上述溶液进行离心分离、水洗、烘干，获得石墨烯/多壁碳纳米管/氧化锌三元复合材料；