[发明专利]一种基于石墨烯/二氧化锡量子点复合材料的NO2传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯/二氧化锡量子点复合材料的电阻式传感器及其制备方法，依据石墨烯/二氧化锡量子点复合材料敏感膜在工作温度下的电阻变化来实现对NO₂的检测。

背景技术

NO₂是一种常见的污染气体，其有强烈的刺激性气味，危害严重，是自然环境与人类健康的双重杀手。二氧化氮可以在大范围内引起多种环境问题，它是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是酸雨的来源之一。光化学烟雾会严重损害人和动物的健康，影响作物的生长，破坏建筑材料，影响大气能见度。而酸雨会改变土壤的pH值，阻碍农作物的生长，造成农业减产甚至绝收；会破坏森林植被，造成树木死亡；会腐蚀建筑物及工业设备，缩短其使用寿命；会污染水源，造成水体pH降低，对渔业造成重大危害并且威胁居民饮用水安全。二氧化氮被人体吸入后，能够对肺组织产生强烈的刺激作用和腐蚀作用，从而引起肺水肿。呼吸系统有疾患的人如哮喘病患者，较易受二氧化氮的影响。对于儿童来说，二氧化氮可能会造成肺部发育障碍。研究指出，长期吸人二氧化氮会导致肺部构造改变。

为了降低或消除NO₂的危害就要控制其排放，因而对NO₂的实时并且准确地监测就显得十分必要。目前NO₂检测的传统方法主要有Saltzman法，化学发光法以及光谱法等。上述方法具有检测下限低，灵敏度高等特点，但是由于它们往往需要较为复杂、昂贵的设备，不适合对环境气体进行实时连续监测。因此人们寄希望于应用气体传感器来对NO₂进行监测。根据国家标准，NO₂的年平均，24小时平均及1小时平均浓度限值分别为19.48ppb，38.96ppb以及97.40ppb。因此，应用于环境监测的NO₂传感器必须具有较高的灵敏度与较低的检测下限，此外，为了实现实时在线测量，其还需具有较短的响应恢复时间。

发明内容

本发明的目的是研制一种具有高灵敏度，低检测下限和快速响应恢特性的石墨烯/二氧化锡量子点复合材料基NO₂传感器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于石墨烯/二氧化锡量子点复合材料的NO₂传感器，所述的NO₂传感器为旁热式结构，包括镍镉合金加热线圈、Al₂O₃陶瓷管、敏感层、Pt导线和两个金电极，其结构如图1所示。所述的镍镉合金加热线圈位于Al₂O₃陶瓷管的内部，用于加热NO₂传感器；两个金电极位于Al₂O₃陶瓷管的表面，每个金电极均与Pt导线相连接，通过测量不同气氛中两条金电极间的直流电阻阻值实现测量NO₂浓度的功能；敏感层包裹在Al₂O₃陶瓷管外侧，并完全覆盖两条金电极。

所述的敏感层为石墨烯/二氧化锡量子点复合材料，厚度为15～30um。所述的Al₂O₃陶瓷管为绝缘层，其内径为0.7～0.9mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm。所述的单个金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm。所述的金电极上引出的铂丝导线长度为4～6mm，铂丝导线将Al₂O₃陶瓷管焊接在通用旁热式六角管座上并加盖防护罩。所述的镍镉合金加热线圈的匝数为50～60匝、电阻值为30～40Ω。

一种基于石墨烯/二氧化锡量子点复合材料的NO₂传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯/二氧化锡量子点复合材料与乙醇按0.1～0.3:1的质量比混合均匀，形成浆料；将浆料均匀涂覆在表面带有一对测试金电极的Al₂O₃陶瓷管的表面上，使其完全覆盖金电极。

所述的石墨烯/二氧化锡量子点复合材料的涂覆厚度为15～30um，石墨烯在石墨烯/二氧化锡量子点复合材料中的质量分数为1％-10％。Al₂O₃陶瓷管的内径为0.7～0.9mm，外径为1.0～1.5mm，长度为4～5mm；单个金电极的宽度为0.4～0.5mm，两条金电极的间距为0.5～0.6mm；金电极上引出的铂丝导线，其长度为4～6mm。