一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法。本发明专利技术进一步提供一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料及其在气体传感器中作为气体敏感材料的用途。本发明专利技术还提供一种气体传感器。本发明专利技术提供的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用，能够有效改善材料的气敏性能，有效提高其传感能力和气敏响应能力。其制备的气体传感器对不同气体都显示优异的响应性能，同时具有优异的稳定性和恢复特性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于气体传感器
，涉及一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用，具体涉及一种作为气体敏感材料的介孔氧化钛(mTiO2)包覆石墨烯气凝胶的纳米复合材料的制备方法及其在气体传感器中的应用。

技术介绍

[0002]随着科技和工业的快速发展，在人们的日常生产生活中，时常会接触到一些挥发性有机化合物(VOC)，VOC气体对人体的健康具有极大的危害。当一定空间中的VOC气体达到一定浓度时，人的健康就会受到影响，会出现疲劳、头晕、肌肉无力等症状，严重时会造成抽搐、昏迷等症状，甚至人的神经和肾脏也会造成损伤。因此，在一定环境下检测VOC气体的浓度十分必要，开发性能优异的气体传感器对于生产生活和医疗诊断都具有十分重要的意义。
[0003]在气体传感器中，由于半导体金属氧化物型气体传感器具有较高的灵敏度、良好的稳定性和对不同气体的快速检测能力，得到了广泛的研究。WO3，TiO2，In2O5和SnO2等金属氧化物，凭借着价格便宜，资源丰富，性能稳定等特点，是常用的气体传感材料。其中TiO2，作为一种多孔结构的n型宽能隙带半导体材料，具有稳定性高、无毒、来源丰富、成本低等优点，被广泛应用于甲醛、NH3和丙酮等有害气体的检测。此外，大量研究表明将金属氧化物与其他材料进行结合形成两种不同材料之间的物理界面(如异质结)，可以有效提高其气体传感性能。石墨烯作为一种新型的二维碳基材料，具有独特的结构和优异的性能，被认为是传感器材料的杰出候选材料之一。金属氧化物与石墨烯或其衍生物的结合可以通过改善结合分子的吸附/解吸能力，载流子转移和局部异质结的形成来增强气体传感能力；此外，石墨烯与金属氧化物的复合可以提高石墨烯的电子特性和气敏特性，因而金属氧化物与石墨烯的复合在气体传感器领域具有广阔的研究前景。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法及其应用，以介孔氧化钛(mTiO2)包覆石墨烯气凝胶的纳米复合材料作为敏感材料，由于该纳米复合材料具有连通性多级孔、均匀的TiO2介孔以及较高的比表面积和孔容，可以形成局部异质结，因而能够有效增强气体的传感能力和响应能力，解决目前气体传感器响应速度慢、稳定性较差的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术第一方面提供一种石墨烯和氧化钛(GA@mTiO2)纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]1)将石墨烯气凝胶(GA)和钛源在软模板、螯合剂、反应溶剂存在的条件下进行自组装反应；
[0007]2)将步骤1)所得产物进行固化、煅烧，以提供纳米复合材料；
[0008]所述钛源为二氧化钛；所述软模板为两嵌段共聚物PEO
‑
b
‑
PS；所述螯合剂为乙酰
丙酮。
[0009]优选地，步骤1)中，所述石墨烯气凝胶的制备方法包括：将氧化石墨烯分散液进行水热反应、冷冻干燥。
[0010]更优选地，所述氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度为0.5
‑
3.0mg/mL，优选为1.0
‑
2.0mg/mL。
[0011]所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯，是以天然石墨粉为原料，采用Hummers法合成获得。所述氧化石墨烯的CAS号为7782
‑
42
‑
5。所述石墨烯气凝胶为辅助模板。
[0012]更优选地，所述氧化石墨烯分散液存放于水热釜中，置于烘箱中进行水热反应。
[0013]更优选地，所述氧化石墨烯分散液在水热反应中的用量为5
‑
20mL，优选为8
‑
16mL。
[0014]更优选地，所述水热反应的反应温度为100
‑
200℃。
[0015]更优选地，所述水热反应的反应时间为10
‑
20h。
[0016]更优选地，所述冷冻干燥的温度为
‑
20～
‑
40℃。所述冷冻干燥以除去水分。
[0017]更优选地，所述冷冻干燥的时间为12
‑
24h，优选为24h。
[0018]优选地，步骤1)中，所述聚环氧乙烷
‑
b
‑
聚苯乙烯(PEO
‑
b
‑
PS)的化学结构式如下所示：
[0019][0020]上述结构式中，n＞0，m＞0。
[0021]所述PEO
‑
b
‑
PS为两亲性嵌段共聚物，采用原子转移自由基聚合(ATRP)合成，作为软模板。
[0022]更优选地，所述PEO
‑
b
‑
PS中，所述PEO的聚合度n为100
‑
140，所述PS的聚合度m为160～200。
[0023]优选地，步骤1)中，所述PEO
‑
b
‑
PS的分子量为20000
‑
30000g/mol。
[0024]优选地，步骤1)中，所述反应溶剂为有机溶剂。
[0025]更优选地，所述反应溶剂选自醇类溶剂、醚类溶剂中的一种或多种的组合，优选选自醇类溶剂和醚类溶剂的组合，更优选选自乙醇和四氢呋喃的组合。
[0026]优选地，步骤1)中，所述PEO
‑
b
‑
PS与石墨烯气凝胶加入的质量之比为0.05
‑
0.5:0.02
‑
0.04。
[0027]优选地，步骤1)中，所述PEO
‑
b
‑
PS与二氧化钛加入的质量之比为0.05
‑
0.5:0.2
‑
0.8。
[0028]优选地，步骤1)中，所述二氧化钛与乙酰丙酮加入的质量之比为0.2
‑
0.8:0.2
‑
1.0。
[0029]优选地，步骤1)中，所述自组装反应的反应温度为室温。所述室温为20
‑
30℃。
[0030]优选地，步骤1)中，所述自组装反应的反应时间为1
‑
4h。便于PEO
‑
b
‑
PS溶液和二氧化钛溶液中的溶剂挥发。
[0031]上述自组装反应是通过溶剂的挥发以及毛细作用，引导TiO2前驱体水解和缩聚的
产物在石墨烯气凝胶的片层表面进行自组装。
[0032]优选地，步骤1)中，所述PEO
‑
b
‑
PS可先与钛源、反应溶剂混合，以提供PEO
‑
b
‑
PS溶液。
[0033]更优选地，所述PEO
‑
b
‑
PS加入的质量g与反应溶剂加入的体积m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将石墨烯气凝胶和钛源在软模板、螯合剂、反应溶剂存在的条件下进行自组装反应；2)将步骤1)所得产物进行固化、煅烧，以提供纳米复合材料；所述钛源为二氧化钛；所述软模板为两嵌段共聚物PEO
‑
b
‑
PS；所述螯合剂为乙酰丙酮。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述石墨烯气凝胶的制备方法包括：将氧化石墨烯分散液进行水热反应、冷冻干燥。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述水热反应的反应温度为100
‑
200℃。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述反应溶剂为有机溶剂。5.根据权利要求4所述的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂选自醇类溶剂、醚类溶剂中的一种或多种的组合，优选选自醇类溶剂和醚类溶剂的组合，更优选选自乙醇和四氢呋喃的组合。6.根据权利要求1所述的一种石墨烯和氧化钛纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中包括以下条件中的任一项或多项：A1)所述PEO
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓航，曹德峰，余大胜，罗维，邱鹏鹏，李小鹏，
申请(专利权)人：苏州兴华高新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：