一種新型基于還原氧化石墨烯?二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝的制作方法

本發明涉及電子元器件技術領域，特別涉及一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝。

背景技術：

隨著工業的飛速發展，環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注的一項重要課題。傳統的用于工業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，很難推廣應用于普通群眾的日常生活。而市場現有的小型氣體檢測裝置又存在穩定性差，響應低等問題。因而，當今氣體傳感器的發展目標應當是小型化、微型化、常溫檢測、信號穩定、成本低廉。

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

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

因此，如何發揮石墨烯基材料的優勢，制備出選擇性好、響應高、反應迅速的常溫氣體傳感器是目前亟待解決的重要議題。

技術實現要素：

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

本發明的技術方案：

一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器，

所述的新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器組成結構包括負載有還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料的叉指電極、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，氧化石墨烯質量在還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料總質量中不超過10wt％，其余成分為二硫化鎢。

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

所述的新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器組成結構從上到下依次為負載有還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料的叉指電極、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釜中180℃溫度下反應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-二硫化鎢復合材料粉末；

步驟五：將還原氧化石墨烯-二硫化鎢復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載有還原氧化石墨烯‐二硫化鎢復合材料的叉指電極的電阻值，并傳輸到計算機，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-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器置于清潔空氣中，計算機根據氨氣濃度控制加熱板加熱促進恢復時間。

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加熱版貼合到氣體感應模塊的陶瓷基板背面進行，加熱瞬態加熱板受到感應控制系統反饋獲得信號的控制，在對一定濃度的氨氣響應信號進行處理分析得到相對變化濃度之后，感應控制系統會對瞬態加熱板的加熱時間做出調整以對恢復傳感器初始狀態過程做出更有效的促進效果，瞬態加熱板的加熱時間長短隨著氨氣濃度變化而呈現線性變化，例如在對10ppm氨氣響應之后，瞬態加熱板的加熱時間為6s，對20ppm氨氣響應之后，加熱時間為8.5s，對30ppm氨氣響應之后，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點后一位，感應控制系統中的計算機可以通過精確的控制給加熱板供電的穩壓源而獲得準確的加溫時間。

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壁涂覆金屬鹽晶體保證氣腔內的濕度保持在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。

本發明的有益效果：

本發明包括氣敏復合材料以及傳感器基板，復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℃，加熱恢復時間是隨檢測氣體濃度線性變化。本發明的還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料在室溫環境中對氨氣表現出良好的響應性能，具有良好的選擇性、穩定性以及可重復性等。此發明中的氣體傳感器恢復階段，使用瞬態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生影響，具體瞬態加熱時間可以根據探測獲得的氣體濃度進行設定。

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

附圖說明

圖1(a)為本發明實施例的純二硫化鎢的掃描電子顯微鏡示意圖。

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

圖2(a)為本發明實施例的純二硫化鎢的eds元素成分分析圖。

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

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

圖4為本發明實施例的一種帶有瞬時加熱模塊的氨氣氣體傳感器結構示意圖。

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

圖6為本發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值。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的具體實施方式。

實施例1

本實施提供的一種新型基于還原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料氨氣氣體傳感器及其制備工藝，包括氣敏復合材料以及傳感器基板。其中復合材料還新型原氧化石墨烯-二硫化鎢復合材料(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特性，例如對30ppm的氨氣，常溫(20℃-30℃)復合材料的氣敏響應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，將瞬態加熱版貼合到氣體感應模塊的陶瓷基板背面進行加熱，加熱溫度固定為140℃，加熱時間是根據感應控制系統反饋得到的不同氨氣濃度而呈線性變化，例如在對10ppm氨氣響應之后，瞬態加熱板的加熱時間為6s，對20ppm氨氣響應之后，加熱時間為8.5s，對30ppm氨氣響應之后，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氨氣進行氣敏響應測試，在恢復過程中分別使用瞬態加熱與常溫恢復，并對結果進行對比分析(如圖5)。

實施例2

本實施例的技術方案與實施例1的區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-二硫化鎢復合材料對不同濃度氨氣的響應信號rs大小。

最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。