一种新型氨气传感器及其制备工艺制造技术

本发明专利技术属于传感器技术领域，具体涉及一种新型氨气传感器及其制备工艺。本发明专利技术的一种新型氨气传感器，包括气敏材料和基板，所述气敏材料均匀涂覆在所述基板表面，所述气敏材料成分包括还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维，所述气敏材料涂覆厚度为1μm～100μm。本发明专利技术的氨气传感器对氨气气体的响应性较高，同时具有更好的选择性、灵敏度、稳定性以及更低工作温度的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种新型氨气传感器及其制备工艺
本专利技术属于传感器
，具体涉及一种新型氨气传感器及其制备工艺。
技术介绍
气体传感器主要用于各种气体的检测，尤其是环境气体。对环境中有毒、有害气体污染控制的要求加速了气体传感器的研究。现有技术中气敏传感器主要用于一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、R12)的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。其中，氨气虽以较低浓度存在于大气中，但较低浓度的氨仍对人们的身体健康及环境污染有不良影响，因此如何快速准确测定出氨气的含量为空气环境的治理提供依据成为本领域的一大热点问题。自从2004年以来，单层二维石墨烯由于其特殊的电荷传输能力以及在热、光和机械等方面的优良性能引起了人们极大的关注，英国曼彻斯特大学的Schedin等最近报道了石墨烯用于先进化学传感器的潜在应用。然而带有表面官能团的石墨烯衍生物如氧化石墨烯(GO)或还原性石墨烯(rGO)，与传统研究的金属氧化物相比，也具有半导体特性，可能更适合于化学传感器的应用。使用还原性石墨烯(rGO)及其复合物的化学传感器开始被大量的研究，比如人们发现还原性石墨烯(rGO)与金属氧化物复合可以有效的改善传感器的气敏特性，主要是因为复合物结合了其组成中不同的有效特性，来改善复合物的机械、化学和电学特性。现在与还原性石墨烯(rGO)复合的金属氧化物主要有SnO2，ZnO，WO3等，国内的吉林大学LiuSen等合成的ZnO-rGO复合物对NO2表现出比单一组成较高的响应，并明显缩短了响应和恢复时间。葡萄牙Aveiro大学的Russo等制备了Pt-SnO2/rGO纳米结构相对于复合物中单一物质表现出低温下对H2较好的响应特性。对于氨气传感器来说，美国威斯康星大学的Lu等通过在Ar环境下退火得到的部分还原性石墨烯制成传感器，可以对NO2和NH3响应，而对于NH3的响应不稳定。又如申请号为201210087432.1，申请日为2012年03月29日的中国专利技术专利，公开了一种石墨烯/二氧化锡纳米复合电阻型薄膜气体传感器及其制作方法，其中所述的石墨烯和二氧化锡纳米复合物气敏薄膜，是采用水热法制备石墨烯/二氧化锡纳米复合物，气敏薄膜是由具有三维纳米结构的石墨烯纳米片层和具有定向生长特性的二氧化锡纳米晶体颗粒复合物组成。而石墨烯纳米片层结构和二氧化锡纳米晶体颗粒结构，使得该气敏薄膜对氨气选择性较差，对气体的吸附能力还有待优化，并且得到的纳米片层结构石墨烯容易被氧化成氧化石墨烯。因此，制备出一种工艺步骤简单，成本低且对NH3的选择性高、工作温度易达到、稳定性以及可恢复性强的一种新型氨气传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种对NH3的响应值高、稳定性强，可有效、准确、快速的检测氨气含量的一种新型氨气传感器及其制备方法。本专利技术提供主要技术方案为：一种新型氨气传感器，包括气敏材料和基板，所述气敏材料均匀涂覆在所述基板表面，所述气敏材料成分包括还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维，所述气敏材料涂覆厚度为1μm～100μm。所述还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维，包括还原性石墨烯和四氧化三钴，所述还原性石墨烯包裹在所述四氧化三钴上，所述还原性石墨烯占复合纳米纤维的质量分数为1％～10％。优选地，还原性石墨烯占复合纳米纤维的质量分数为1％～5％。所述还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维的平均直径为200nm-300nm。所述四氧化三钴呈纤维状，所述石墨烯包裹在所述四氧化三钴上呈褶皱状，所述四氧化三钴的平均直径为20nm～40nm；优选地，所述四氧化三钴平均直径为30nm。所述基板为带有Au电极的Si基板或者Al2O3基板。一种新型氨气传感器的制备工艺，包括以下步骤：步骤一，制备氧化石墨烯分散液：将0.02～1.6质量份的氧化石墨烯分散到0.06～8质量份的二甲基甲酰胺中，经过超声机超声后，得到氧化石墨烯分散液；步骤二，制备含有硝酸钴的混合液：将6～60质量份的六水合硝酸钴0溶解到15～150质量份的乙醇中得到溶液a，将6～60质量份聚乙烯吡咯烷酮溶解到15～150质量份的乙醇中得到溶液b，将溶液a与溶液b通过磁力搅拌混合至澄清，得到含有硝酸钴的混合液；步骤三，制备静电纺丝前驱液：将步骤一制备出的石墨烯分散液加入到步骤二中含有硝酸钴的混合液中，通过磁力搅拌得到静电纺丝前驱液；步骤四，制备还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维：将步骤三制备的静电纺丝前驱液装入带有针头的塑料注射器中，针头连在18kV-25kV直流电压上，通过注射器推进泵输出静电纺丝前驱液，将铝箔纸放在针头指向处收集静电纺丝产生的纳米纤维；将该纳米纤维先在N2环境进行二次煅烧制备成还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维；步骤五，制备一种新型氨气传感器：取步骤四得到的还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维3mg～10mg分散至有机溶剂中，形成5mg/mL～15mg/mL的分散液，取40μL～60μL分散液涂覆到基板表面，干燥后得到氨气传感器；更优选地，取步骤四得到的还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维4mg～5mg分散至有机溶剂中，形成8mg/mL～10mg/mL的分散液，取40μL～50μL分散液涂覆到基板表面，干燥后得到氨气传感器。所述步骤一中的超声机功率为250W，超声时间为2h～5h。所述步骤三中的磁力搅拌时间为8h～15h。所述步骤四中通过注射器推进泵使得所述静电纺丝前驱液的输出速度为0.2ml/h。所述步骤四中的针头为N6号的不锈钢针头，所述铝箔纸放在所述不锈钢针头指向的13cm的位置处。所述步骤五中的纳米纤维先在N2环境中400℃～600℃煅烧3小时进行第一次煅烧，然后在N2环境中650℃～850℃下煅烧30分钟进行第二次煅烧。第一步400℃～600℃煅烧3小时热分解生成四氧化三钴，氧化钴在静电作用下成纤维状，同时氧化石墨烯包裹到所生成的纤维表面，第二步650℃～850℃下煅烧30分钟将氧化石墨烯还原为还原性氧化石墨烯，并且获得较高的还原度。在N2环境保护C原子不被氧气氧化。所述步骤五中的涂覆方式包括喷涂、滚涂或浸渍，所述有机溶剂为为乙醇、丙酮、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种以上的组合物。所述步骤五中的干燥条件为60℃～150℃下干燥2h～5h。本专利技术氨气传感器为电阻式半导体气体传感器，主要根据元件吸附气体前后的电阻变化来进行检测，利用待测气体在气敏材料上进行物理或化学吸、脱附，引起材料电阻等电学性质变化从而达到检测目的。本专利技术氨气传感器工作温度在室温范围内；传感器电阻在流动空气和以空气为背景的氨气气体的环境下变化而使传感器信号产生；传感器的实时监测信号是传感器电阻值的变化。本专利技术的实施包括以下技术效果：1、本专利技术采用静电纺丝法获得氧化石墨烯与Co的硝酸盐先驱物等构成的纳米纤维，通过在N2环境两步煅烧法实现还原氧化石墨烯包裹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型氨气传感器，包括气敏材料和基板，所述气敏材料均匀涂覆在所述基板表面，其特征在于，所述气敏材料成分包括还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维，所述气敏材料涂覆厚度为1μm～100μm。

【技术特征摘要】
1.一种新型氨气传感器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，制备氧化石墨烯分散液：将0.02～1.6质量份的氧化石墨烯分散到0.06～8质量份的二甲基甲酰胺中，经过超声机超声后，得到氧化石墨烯分散液；步骤二，制备含有硝酸钴的混合液：将6～60质量份的六水合硝酸钴溶解到15～150质量份的乙醇中得到溶液a，将6～60质量份聚乙烯吡咯烷酮溶解到15～150质量份的乙醇中得到溶液b，将溶液a与溶液b通过磁力搅拌混合至澄清，得到含有硝酸钴的混合液；步骤三，制备静电纺丝前驱液：将步骤一制备出的石墨烯分散液加入到步骤二中含有硝酸钴的混合液中，通过磁力搅拌得到静电纺丝前驱液；步骤四，制备还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维：将步骤三制备的静电纺丝前驱液装入带有针头的塑料注射器中，针头连在18kV-25kV直流电压上，通过注射器推进泵输出静电纺丝前驱液，将铝箔纸放在针头指向处收集静电纺丝产生的纳米纤维；将该纳米纤维在N2环境进行二次煅烧制备成还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维；步骤五，制备一种新型氨气传感器：取步骤四得到的还原性石墨烯包裹四氧化三钴复合纳米纤维3mg～10mg分散至有机溶剂中，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓干，王兢，冯秋霞，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21