[发明专利]一种甲醛气体敏感的SnO2

说明书

本发明涉及一种甲醛气体敏感的SnO₂纳米棒阵列/还原氧化石墨烯复合纳米材料的制备及应用，该材料的制备方法中所使用的原料包括：Na₂SnO₃·4H₂O、无水乙醇和水。该制备方法步骤为：(1)还原氧化石墨烯基底上晶种的形成；(2)配制水热合成前驱体反应溶液；(3)将装有前驱体溶液的聚四氟乙烯内衬放入微型反应釜中反应；(4)用去离子水和无水乙醇反复清洗反应沉积产物，将清洗后的样品分离、烘干，即制得。本发明的原材料锡酸纳(Na₂SnO₃·4H₂O)、溶剂无水乙醇与水的比例和晶种导向的处理技术，均具备不可替代性。本发明的材料可用作气体敏感材料，特别针对甲醛气体，表现出高灵敏的突出显著效果。

技术领域

本发明涉及一种SnO₂纳米棒阵列/还原氧化石墨烯复合纳米材料的制备技术与用作气体敏感材料制作气体传感器，表现对甲醛气体十分敏感的特性，属气体传感技术领域。

背景技术

甲醛是一种常见的挥发性有机化合物(VOCs)，被广泛应用于化学、生物技术及医药等领域。目前甲醛的年产量达几千万吨，并且其需求量还在源源不断地增长。然而，长期超标接触甲醛对人体会产生极大且不可逆的伤害。它的毒性主要体现在强烈刺激眼睛和皮肤、引发呼吸功能障碍和肝脏中毒性病变，甚至致胎儿畸形。此外相关研究表明甲醛的遗传毒性和致突变性是引发癌症(包括肺癌、白血病和鼻咽癌等)的因素之一。世界卫生组织规定：半个小时内人体可持续接触甲醛的最高允许浓度为80ppb。因此，实时监测大气中的甲醛浓度对人体健康及环境保护具有重要意义。

纳米材料的结构很大程度上影响材料的物理化学性质，而其几何形态和理化属性从根本上决定了其实际应用领域。随着材料维度的降低和结构特征尺寸的减小，一维纳米材料(纳米棒、纳米线和纳米管等)因呈现出新奇独特的光、电、磁和热等物理化学特性，在光学、电子学、磁学、催化及传感器等领域应用广泛。近年来，一维纳米材料成为人们的研究热点之一，其制备方法也是多种多样。然而这些一维纳米材料取向随意、排列无序，以致不能发挥其优势构建纳米器件。由纳米棒等一维纳米材料为基本结构单元构筑成纳米有序阵列结构，其表现出来的性质不仅能反映单一一维纳米结构所具有的独特性质，而且还可以反映纳米阵列结构的协同效应，可满足纳米器件设计的实际要求。当将一维纳米结构有序阵列用于气敏传感器时，该结构可以有效地提高载流子迁移率，增加与气体的接触面积，增强对气体的吸附能力及反应活性，从而提高其气体敏感性能。因此，如何以纳米棒等一维纳米材料为基本结构单元去设计制备具有一定的空间构架的各种新颖的三维(3D)纳米有序阵列结构显得重要而又艰难。

由于存在多种结构形态和具有一系列优异的力学、热力学、电学及光学等性质，各种结构各异的碳材料(石墨烯、碳纳米管和石墨炔等)一直备受瞩目。自2004年英国曼彻斯特大学的科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov发现石墨烯以来，其获得了研究领域前所未有的青睐，迅速成为材料科学、化学及物理等领域的研究热点之一。石墨烯是导电性能异常出色的材料，同时还是一种优良的吸附剂，归因于其表面积较大、孔结构较丰富、表面吸附性以及化学稳定性较强，将石墨烯或是以石墨烯为基底的纳米材料作为吸附传感介质用在气体处理方面具有很大的优越性。另外，石墨烯的约翰逊噪声非常低，载流子浓度微小的改变将会导致电导率的显著变化，使得石墨烯基气敏传感器的灵敏度非常高。石墨烯及其衍生物如还原氧化石墨烯、氧化石墨烯的这些结构与物理化学特性的表现，有助于激发与特定气体分子的物理化学的反应，在气体吸附、气体氧化催化、电子输运等方面有较好的表现，可以促进材料与特定气体分子的敏感性反应，从而提高对气体的敏感性能。然而，尽管石墨烯及其衍生物具有很多杰出的性能，但因其层与层之间存在较强的范德华力和静电力等，使得其在溶液或固相时很容易团聚，这给石墨烯及其衍生物的进一步研究和应用造成了极大的困难。