本發(fā)明涉及電子元器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益顯著，其中空氣的污染和檢測成為了越來越多人關(guān)注的一項重要課題。傳統(tǒng)的用于工業(yè)檢測等的金屬氧化物氣體傳感器具有成本高、體積大、工作溫度高等缺點，很難推廣應(yīng)用于普通群眾的日常生活。而市場現(xiàn)有的小型氣體檢測裝置又存在穩(wěn)定性差，響應(yīng)低等問題。因而，當(dāng)今氣體傳感器的發(fā)展目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是小型化、微型化、常溫檢測、信號穩(wěn)定、成本低廉。

石墨烯材料是21世紀(jì)新型的二維結(jié)構(gòu)納米材料，在經(jīng)過十幾年的發(fā)展之后，石墨烯基材料在氣體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了廣泛報道。然而，無論是純石墨烯亦或是石墨烯復(fù)合材料，對no2以及氨氣的檢測一直是國內(nèi)外的研究重點。這是由于石墨烯特殊的二維結(jié)構(gòu)對氮氧化物以及氨氣表現(xiàn)出了非常良好的響應(yīng)性能和選擇性。但至目前為止，石墨烯基材料對氮氧化物和氨氣的恢復(fù)效果不盡如人意。

二硫化物具有與石墨烯類似的片層狀結(jié)構(gòu)，其中二硫化鎢是較規(guī)則的六邊形片狀晶體，它具備了良好的導(dǎo)電性和較大的比表面積，同時也對氨氣表現(xiàn)出了良好的氣敏響應(yīng)性能。但是，目前為止對二硫化鎢的氣敏響應(yīng)研究較少，并且在常溫測試中表現(xiàn)出響應(yīng)較低、信號不穩(wěn)定、氣敏測試沒有平臺期等缺陷。

因此，如何發(fā)揮石墨烯基材料的優(yōu)勢，制備出選擇性好、響應(yīng)高、反應(yīng)迅速的常溫氣體傳感器是目前亟待解決的重要議題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好的基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器，

所述的新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器組成結(jié)構(gòu)包括負(fù)載有還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料的叉指電極、基板和加熱板；其中，所述的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料為片層狀氣體敏感材料，包括氧化石墨烯和二硫化鎢兩種組分，氧化石墨烯質(zhì)量在還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料總質(zhì)量中不超過10wt％，其余成分為二硫化鎢。

所述的氧化石墨烯質(zhì)量在還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料總質(zhì)量中不超過3wt％。

所述的新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器組成結(jié)構(gòu)從上到下依次為負(fù)載有還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料的叉指電極、基板和加熱板。

所述的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料采用一步加熱法制備得到。

一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器的制備工藝，步驟如下：

步驟一：配制氧化石墨烯水溶液和二硫化鎢水溶液，超聲分散；其中，石墨烯和二硫化鎢的濃度分別為0.5‐2mg/ml、10‐20mg/ml；

步驟二：將步驟一獲得的石墨烯水溶液和二硫化鎢水溶液混合，水浴50℃溫度下攪拌1小時；

步驟三：將步驟二混合均勻的液體置于高壓反應(yīng)釜中180℃溫度下反應(yīng)16小時；

步驟四：降至室溫之后利用去離子水洗凈，在60℃溫度條件下烘干，得到還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料粉末；

步驟五：將還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料粉末溶解于乙醇中，涂抹于叉指電極表面，厚度為0.01‐0.5mm，在60℃溫度條件下烘干，即得新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器。

步驟一中的超聲的功率為250w，超聲時間為2小時。

一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器的測試方法，步驟如下：

步驟一：氣體測試腔室內(nèi)逐步通入氨氣濃度低于500ppm的待測氣體；

步驟二：萬用表測量得到負(fù)載有還原氧化石墨烯‐二硫化鎢復(fù)合材料的叉指電極的電阻值，并傳輸?shù)接嬎銠C，計算機分析電阻值相對變化量；

步驟三：新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器置于清潔空氣中，計算機根據(jù)氨氣濃度控制加熱板加熱促進恢復(fù)時間。

步驟三中對加熱板供電電壓為12v，供電時間為線性增加，在氨氣濃度為10ppm時加熱時間為5‐7s，在氨氣濃度為20ppm時加熱時間為8‐10s，在氨氣濃度為30ppm時加熱時間為11‐13s，以此類推。

傳感器基板是由瞬態(tài)加熱版貼合到氣體感應(yīng)模塊的陶瓷基板背面進行，加熱瞬態(tài)加熱板受到感應(yīng)控制系統(tǒng)反饋獲得信號的控制，在對一定濃度的氨氣響應(yīng)信號進行處理分析得到相對變化濃度之后，感應(yīng)控制系統(tǒng)會對瞬態(tài)加熱板的加熱時間做出調(diào)整以對恢復(fù)傳感器初始狀態(tài)過程做出更有效的促進效果，瞬態(tài)加熱板的加熱時間長短隨著氨氣濃度變化而呈現(xiàn)線性變化，例如在對10ppm氨氣響應(yīng)之后，瞬態(tài)加熱板的加熱時間為6s，對20ppm氨氣響應(yīng)之后，加熱時間為8.5s，對30ppm氨氣響應(yīng)之后，加熱時間為11s，以此類推。線性分析獲得的加熱時長近似到小數(shù)點后一位，感應(yīng)控制系統(tǒng)中的計算機可以通過精確的控制給加熱板供電的穩(wěn)壓源而獲得準(zhǔn)確的加溫時間。

傳感器封裝部分的特點為在保留進氣口、出氣口的前提下，在封裝之后的氣腔內(nèi)壁涂覆金屬鹽晶體保證氣腔內(nèi)的濕度保持在30％rh左右，濕度變化范圍在±10％rh都可以保證對氣體傳感器的性能不會造成太大影響。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明包括氣敏復(fù)合材料以及傳感器基板，復(fù)合氣敏材料是利用一步水熱合成獲得的的納米材料(如圖1)，所述的氣敏材料均勻涂覆與傳感器基板的金叉指電極上(如圖2)，傳感器基板背面加熱板的瞬間加熱溫度是140℃，加熱恢復(fù)時間是隨檢測氣體濃度線性變化。本發(fā)明的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料在室溫環(huán)境中對氨氣表現(xiàn)出良好的響應(yīng)性能，具有良好的選擇性、穩(wěn)定性以及可重復(fù)性等。此發(fā)明中的氣體傳感器恢復(fù)階段，使用瞬態(tài)加熱在有效縮短還原所需時間的同時，不會對氣體敏感材料的性能產(chǎn)生影響，具體瞬態(tài)加熱時間可以根據(jù)探測獲得的氣體濃度進行設(shè)定。

此氨氣氣體傳感器的優(yōu)勢是：同現(xiàn)有的氨氣傳感器相比，本發(fā)明一方面提出了新型還原氧化石墨烯-二硫化鎢納米復(fù)合材料在室溫環(huán)境中對氨氣具有良好的氣敏響應(yīng)，另一方面，瞬態(tài)加熱可以使氣體傳感器盡量少暴露在高溫環(huán)境中，降低敏感材料的老化程度，提高傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明實施例的純二硫化鎢的掃描電子顯微鏡示意圖。

圖1(b)為本發(fā)明實施例的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料掃描電子顯微鏡示意圖。

圖2(a)為本發(fā)明實施例的純二硫化鎢的eds元素成分分析圖。

圖2(b)為本發(fā)明實施例的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料eds元素成分分析圖。

圖3(a)和(b)分別為本發(fā)明實施例的純二硫化鎢吸收峰圖和拉曼光譜測試示意圖。

圖3(c)和(d)分別為本發(fā)明實施例的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料吸收峰圖和拉曼光譜測試示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例的一種帶有瞬時加熱模塊的氨氣氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例的還原氧化石墨烯-二硫化鎢對30ppm氨氣響應(yīng)恢復(fù)曲線，在恢復(fù)階段分別采用加瞬態(tài)高溫和常溫條件。

圖6為本發(fā)明實施例的還原氧化石墨烯-二硫化鎢對不同濃度氨氣響應(yīng)值。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例1

本實施提供的一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝，包括氣敏復(fù)合材料以及傳感器基板。其中復(fù)合材料還新型原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料(如圖1、圖2、圖3)，其特點是還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料為新型合成的片層狀氣體敏感材料，采用一步加熱法制備完成，對低濃度氨氣具有良好的響應(yīng)特性，例如對30ppm的氨氣，常溫(20℃-30℃)復(fù)合材料的氣敏響應(yīng)rs為50左右。對于傳感器基板，其特點是敏感材料涂覆的厚度為0.4-0.5mm，將瞬態(tài)加熱版貼合到氣體感應(yīng)模塊的陶瓷基板背面進行加熱，加熱溫度固定為140℃，加熱時間是根據(jù)感應(yīng)控制系統(tǒng)反饋得到的不同氨氣濃度而呈線性變化，例如在對10ppm氨氣響應(yīng)之后，瞬態(tài)加熱板的加熱時間為6s，對20ppm氨氣響應(yīng)之后，加熱時間為8.5s，對30ppm氨氣響應(yīng)之后，加熱時間為11s，以此類推。

其中，還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料的制備過程是：

首先，10mg單層氧化石墨烯在20ml去離子水中以及320mg二硫化鎢粉末在30ml去離子水中充分超聲分散；

其次，將第一步獲得的兩種液體混合到一起后，在水浴攪拌鍋中攪拌；

第三：將第二步混合均勻的液體倒入高壓反應(yīng)釜中高溫高壓處理；

第四：降至室溫之后利用去離子水洗凈，在干燥箱中60℃烘干。

最后：制備完成后的粉末，溶解于少量乙醇中之后用移液器滴涂與叉指電極上，并涂抹均勻，在干燥箱中60℃下充分烘干。

將制備完成的還原氧化石墨烯-二硫化鎢粉末涂覆與傳感器金叉指電極表面，并烘干。對30ppm氨氣進行氣敏響應(yīng)測試，在恢復(fù)過程中分別使用瞬態(tài)加熱與常溫恢復(fù)，并對結(jié)果進行對比分析(如圖5)。

實施例2

本實施例的技術(shù)方案與實施例1的區(qū)別為是測試氣體濃度不同，本實施例僅就不相同的部分進行描述，相同的部分不再贅述。本實施例的測試氣體nh3，測試濃度為,10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm。圖6為還原氧化石墨烯-二硫化鎢復(fù)合材料對不同濃度氨氣的響應(yīng)信號rs大小。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。