[发明专利]石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法有效

专利信息
申请号: 202010359306.1 申请日: 2020-04-29
公开(公告)号: CN111474214B 公开(公告)日: 2021-06-25
发明(设计)人: 张瑞秀 申请(专利权)人: 荷氢新能源科技(山东)有限公司
主分类号: G01N27/12 分类号: G01N27/12
代理公司: 合肥市科融知识产权代理事务所(普通合伙) 34126 代理人: 杨志胜
地址: 271100 *** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 石墨 烯基高 灵敏 氢气 传感器 及其 制备 方法
【说明书】:

发明涉及一种石墨烯基高灵敏氢气传感器,包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构,其特征在于,所述中间复合结构为三层复合筒状结构,三层复合筒状结构的内层为WO3层,中间层为泡沫镍基体层,外层为石墨烯网状结构层,且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结,三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。三层复合筒状结构中,以石墨烯网状结构层为外出,不仅可以显著增大传感器与被检测的气体的接触面积,提高传感器相对于氢气的响应灵敏度,还可以排除一些杂质气体对于传感器的干燥,改善传感器对于氢气检测的精确度。

技术领域

本发明属于传感器领域,具体涉及一种石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法。

背景技术

氢气是一种重要的还原气体,广泛应用在化工、石化、医疗等各个领域。同时,氢气还是重要的清洁能源,氢气燃烧能够释放高能量,广泛应用在燃料电池、能源等各个领域。然而,氢气在实际的应用中会存在一定的安全隐患,当局部范围内的空气中的氢气含量大于4%时,极易发生爆炸。而且,由于氢气分子很小,在实际的生产、运输过程中很容易泄漏。加上氢气分子无色无味,很不容易被察觉,其安全隐患比其他的气体更高。需要研发一种能够有效监测氢气浓度的氢气传感器具有重要意义。

通过氢气传感器来检测空气中的氢气的浓度,可以有效监测氢气的泄漏。就材料而言,传统的氢气传感器主要有半导体型金属氧化物传感器和金属薄膜型传感器两类。其中,半导体型金属氧化物传感器的工作条件比较苛刻,且能耗较高;金属薄膜型传感器对氢气的灵敏度有限,且成本相对较高。

石墨烯作为一种新型材料,其独特的二维蜂窝状晶体结构,赋予其优异的物理化学性能,如大的比表面积、良好的导电性、化学稳定性等,其理论厚度仅为一个碳原子的直径,约0.14nm。这些优异的性质使得石墨烯成为各类传感器制作中的宠儿。但目前的石墨烯基传感器通常还存在灵敏度不足、传感器的相应有效性或检测精度不足等缺陷。

基于此,本发明研发出了一种灵敏度高、相应速度快、检测精度高的石墨烯基氢气传感器。

发明内容

基于背景技术中的氢气传感器所存在的缺陷,本发明提出了一种石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法。本发明的石墨烯基高灵敏氢气传感器具有三层结构。其中,以平面柔性泡沫镍作为基体,先采用磁控方法在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积得到WO3层,然后再在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积得到石墨烯网状结构层。然后,再将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构,缺口处用导电胶粘接,得到内层为WO3层,中间层为泡沫镍基体层,外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构,最后将三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极连结即可。

即,本发明的氢气传感器的技术方案为:

一种石墨烯基高灵敏氢气传感器,包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构,其特征在于,所述中间复合结构为三层复合筒状结构,三层复合筒状结构的内层为WO3层,中间层为泡沫镍基体层,外层为石墨烯网状结构层,且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结,三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。

进一步地,在所述上电极和所述下电极之间,可以包括多个并列设置的中间复合结构,以并联的方式与上电极和下电极连结,可以进一步提高氢气传感器对于氢气的相应灵敏度。

进一步地,多个并列设置的中间复合结构以单排并列的方式排列,或者以十字形状的阵列排列,或者以米字形状的阵列排列,或者以口字形状的陈列排列。

进一步地,所述三层复合筒状结构的直径为0.5mm-5mm,高度为3mm-15mm。

进一步地,所述三层复合筒状结构中,WO3层的厚度为50nm-1um;所述石墨烯网状结构层的厚度为50nm-500nm;所述泡沫镍基体层的厚度为20-100um。

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