[发明专利]一种三元复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种三元复合材料，该三元复合材料以三维石墨烯泡沫为基底，其表面负载二氧化钛纳米球；其中，二氧化钛纳米球中点嵌有石墨烯量子点。本发明制备得到的GQD‑TiO₂‑GM复合材料具有三维孔道结构，其具有较大的比表面积，有助于提高对甲醛气体的响应强度和灵敏度。此外，TiO₂纳米晶粒与石墨烯量子点和石墨烯泡沫形成了GQD‑TiO₂‑GM异质(p‑n‑p)结，能够在降低传感器工作温度和提高气敏性能等方面起到巨大的作用。

技术领域

本发明涉及一种用于气体传感器的三元复合材料，尤其涉及一种石墨烯量子点修饰的三元复合材料及制备的气敏传感元件。

背景技术

呼吸作为人体重要的生理过程，是人体内环境与外界交换物质的途径之一。呼出气体中包含大量人体新陈代谢的产物，各项研究表明呼出物的种类和浓度在一定程度上能反映人体健康状态。通过检测呼出气中的标志物能及时诊断人体的健康状态，对疾病的发生、发展过程进行监测，从而达到疾病预防的目的。世界各国政府都将疾病尤其是癌症、糖尿病等重大疾病的早发现、早诊断作为首要的医疗目标。呼气VOCs检测作为一种潜力巨大的新型无创检测方法，已成为当今世界重大疾病诊断的前沿研究。2017年，以色列理工学院Haick教授团队从5个不同国家(中国、以色列、法国、美国和拉脱维亚)选取1404名受试者的呼气样本进行检测。为了满足呼吸检测的要求，研究人员已经研究了各种呼气传感器用于检测人体呼出的挥发性有机化合物。作为最常见的挥发性有机化合物之一，呼气中的甲醛含量升高表明人体中枢神经系统受到损害，甚至是患上癌症，甲醛已被国际癌症研究机构列为“致癌物”。因此，能够有效准确地检测甲醛的气体传感器的研究对呼气检测分析显得尤为重要。当前研究快速、准确可靠、简单易行的呼气甲醛检测方法成为国内外竞争焦点，提出的甲醛检测方法很多，主要有色谱法、极谱法、光谱法、传感器法等，每种方法都有其各自的特点。比色法虽然简单、成本低，但灵敏度不高、选择性不好、采样周期长、无法对甲醛浓度的快速波动迅速作出反应。色谱法、极谱法通常需要有毒试剂，测试过程干扰因素多，不适于现场测试。光谱法可以现场检测，但是需要的仪器巨大、复杂且检测成本偏高。传感器法检测甲醛操作方便、体积小、可现场检测，是当前具有重要发展潜力的甲醛检测方法。近年来，因具备纳米尺寸效应，可控的物理、化学特性，低成本制造，可高灵敏度、快速响应且检测成本低等优点，基于纳米材料的VOCs（volatile organic compounds，挥发性有机物）气体传感器成为呼气VOCs检测的研究热点。然而，基于金属氧化物半导体的气体传感器往往需要较高的工作温度(200～400℃) 才可以使器件获得较好的传感性能。这意味着该类型的气体传感器工作时需要消耗大量的能量，而且较高的工作温度会降低气体传感器的稳定性和工作寿命。其次，这种传统的基于金属氧化物半导体的气体传感器还普遍存在灵敏度低、可重复性差等问题，使得该类型的传感器难以得到广泛的应用，这也是制约气体传感器技术发展的关键因素。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种新型的复合材料，能够用于气敏传感器，制备过程环保、制备成本低，且能够降低工作温度、提高气敏性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三元复合材料，该三元复合材料以三维石墨烯泡沫为基底，其表面负载二氧化钛纳米球；其中，二氧化钛纳米球中点嵌有石墨烯量子点；三元复合材料中石墨烯泡沫的平均孔径为240～260μm，孔壁的长度为170～190μm，孔壁的平均厚度为1.5～3μm；二氧化钛纳米球的平均粒径为300～400nm; 石墨烯量子点的平均粒径为3～5nm。

进一步的，通过XPS表面元素分析：三元复合材料中二氧化钛纳米球的元素占比为20～25%，石墨烯量子点元素占比为10～25%，三维石墨烯泡沫元素占比为55～65%。

在部分实施例中，作为优选的，三元复合材料中二氧化钛纳米球的元素占比为25%，石墨烯量子点元素占比为10%，三维石墨烯泡沫元素占比为65%。

本发明还提供了上述三元复合材料在甲醛气体检测上的应用。