论文部分内容阅读
气体传感器在环境监测、工农业生产、药物、能源、军事及公共安全等各方面都有十分重要应用。石墨烯是一种极具潜力的气敏材料,一方面在于石墨烯的常温导电性使得它能够在室温下进行工作,另一方面在于它的高表面积为气体传感提供了相当多的活性位点。但同时,石墨烯在气体传感领域的实际应用中也遇到了一些问题。首先,石墨烯能够同时对多种气体进行吸附,故而无法对不同气体呈现出比较好的选择性。其次,石墨烯在敏感的同时,也比较脆弱,一旦损坏,极难修复,这会使得器件的整体稳定性大大降低,严重阻碍了石墨烯气体传感器的实际应用。最后,获得单层或几层的石墨烯均匀涂布的传感器件也并非易事,在溶液干燥的过程中,纳米材料会发生团聚,咖啡环效应也会使得纳米材料在器件表面的分布不均一,从而对器件性能产生严重影响。为了解决上述的这些问题,本论文提出了一种基于还原氧化石墨烯的三维核壳结构导电网络并用于气体传感领域,针对不同气体对其进行了结构和组成上的调整和优化。具体的研究成果如下:1、首次设计了氧化石墨烯包覆二氧化硅球（SiO2@GO）三维核壳结构,并通过简单的热还原的手段得到石墨烯包覆二氧化硅球（SiO2@TRGO）三维导电网络,大幅增加了热还原石墨烯（TRGO）对NH3和NO2的气体传感性能。SiO2@TRGO在850s内对浓度为50 ppm的NH3气体响应值高达12%,是相同条件下纯TRGO的8倍,在250 s内对50 ppm NO2的响应值高达172.5%,是相同条件下纯TRGO的5倍。SiO2@TRGO受气敏薄膜厚度的影响较小,即使滴样浓度增大8倍,响应值衰减率低于30%,而纯TRGO的衰减率则高达90%。此外,SiO2@TRGO复合材料具有良好的稳定性,经过4次循环传感测试后性能没有明显的衰减,受湿度的影响低于4%,因此具有较高的实用价值。2、使用邻氨基硫代苯酚来对SiO2@GO进行室温还原,得到对NH3气体极具选择性的化学还原石墨烯包覆二氧化硅球（SiO2@CRGO）三维导电网络。其对NH3的气敏性能是前述的SiO2@TRGO还要高2.5倍,在850 s内对50 ppm浓度的NH3的响应高达31.5%。除了结构优化带来的提升之外,化学还原在SiO2@CRGO表面还形成的一层起修饰作用的低聚物,能够根据NH3的吸附/脱附发生掺杂/脱掺杂,影响低聚物和石墨烯之间的电子转移,从而影响器件气敏性能。3、使用二氧化锡（SnO2）纳米球来构建热还原石墨烯包覆SnO2（SnO2@TRGO）的三维核壳结构,实现了对NO2气体传感性能的大幅提升。SnO2@TRGO在250 s内对10 ppm的NO2的响应值高达172.5%,是纯TRGO的16倍,并且响应更为迅速,对低浓度的NO2更为敏感。这主要与SnO2@TRGO界面之间异质结的作用放大了NO2的吸附对TRGO中导电通道的影响有关。理论模拟的结果表明NO2在SnO2/GR复合材料上具有比在纯石墨烯上更低的吸附能,很好地解释了SnO2@TRGO所具有的良好可恢复性。综上,本论文所提出的通过静电自组装法制备的基于还原氧化石墨烯的三维核壳结构网络,既能够便捷的对石墨烯壳层进行改性,从化学修饰的角度来提升传感器件对特定气体的选择性,又能够通过调整内核,以形成异质结的方法来提高传感器件的整体性能,是一种成本低廉、性质稳定、变化灵活的提升气体传感器性能的手段,能够作为一种通用模板,投入到气体传感的实际应用中去。