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浅析氧化石墨烯在气体传感器中的应用研究

作者:2020-08-27 00:07阅读:文章来源:
    1 氧化石墨烯的制备方法
  根据处理方式不同,氧化石墨烯的制备方法可分为氧化石墨剥离法和石墨烯化学氧化法。其中,剥离法是以氧化石墨为原料,利用机械力将其结构层剥离而获得氧化石墨烯。其最大的优点是可大规模制备,且制备的氧化石墨烯可稳定分散于水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)等极性溶液中。因此,剥离法制备的氧化石墨烯便于采用溶液旋涂的方式涂覆在基底上,可广泛应用于电子器件、透明柔性电极和触摸屏等领域。但是,剥离法在剥离过程中会不可避免地在氧化石墨烯片层上形成许多缺陷,导致一些优良的性能减弱或消失。相关缺陷可以通过化学或物理还原的方法消除,从而恢复氧化石墨烯的优异性能。而化学氧化法是以石墨烯为原料,对其进行氧化处理而获得氧化石墨烯。例如,化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法制备的石墨烯可用臭氧进行化学氧化,最后获得氧化石墨烯薄膜。
  2 氧化石墨烯的气敏性能
  2.1 湿敏性能
  氧化石墨烯因表面含有丰富的含氧官能团而具有良好的亲水性,是一种理想的湿敏材料。Guo等报道了一种还原氧化石墨烯电阻式湿度传感器。首先,将氧化石墨烯分散液涂覆在叉指电极上,然后采用激光还原方式将其部分还原成还原氧化石墨烯。结果表明,制备的湿度传感器具有较高的灵敏度,在11%~95%相对湿度范围内阻抗变化超过2个数量级。Bi等制备了一种电容式氧化石墨烯湿度传感器,响应时间为10.5s,恢复时间为41s
  氧化石墨烯优异的湿敏性能除了与其自身独特的结构有关外,还受到成膜或器件制作过程中一些因素的影响。为了探明氧化石墨烯薄膜厚度对湿敏性能的影响,Stefano等采用旋涂法将一定浓度的氧化石墨烯分散液涂覆在银叉指电极上,研发了一种超快的湿敏传感器。实验结果表明,在选定范围内,当氧化石墨烯薄膜厚度为15nm时湿敏性能最佳,响应时间为20~30ms。除了膜厚度的影响外,器件结构也会影响传感器的性能。常规电阻式氧化石墨烯湿度传感器具有高阻特性,导致信号检测困难。然而,氧化石墨烯湿敏材料与声波器件(QCM与SAW)、MEMS器件通过声电和机电耦合等方式制备的湿度传感器则具有优良的性能。制备了氧化石墨烯石英晶体微天平(QCM)型湿度传感器,灵敏度达到22.1Hz/%RH,并且在较宽的相对湿度范围(6.4%~93.5%)内,具有线性响应、稳定性好及响应时间短等优异的湿敏性能。
  另外,氧化石墨烯修饰的声表面声波器件(SAW)湿度传感器也具有优异性能。Rimeika等报道了一种氧化石墨烯修饰SAW湿度传感器,在10%~90% 相对湿度变化范围内,传感器的输出幅度变化达到12dB。为了更好地证明氧化石墨烯修饰的SAW 湿度传感器具有优异湿敏性能,Balashov等分别研究了氧化石墨烯和聚乙烯醇两种材料修饰的SAW传感器的湿度性能,结果表明,氧化石墨烯修饰的湿度传感器的灵敏度为1.54kHz/%RH,远大于聚乙烯醇修饰的SAW 湿敏传感器的灵敏度(0.47kHz/%RH)。而且,氧化石墨烯修饰的QCM和SAW 湿度传感器还具有可直接输出数字信号、便于与电路集成等优势,正逐渐成为业界的研究热点。
  2.2 NO2敏感性能
  氧化石墨烯对NO2气体具有十分优异的敏感性能,吸附过程中氧化石墨烯提供电子给NO2气体分子。Fowler等采用旋涂工艺将肼还原氧化石墨烯涂覆在叉指电极阵列上,成功制备了灵敏度为13%的NO2气体传感器,并可实现室温下检测。为了获得性能更加优异的NO2气体传感器,Prezioso等制备了大片径氧化石墨烯(平均片径27μm,最大500μm),也采用旋涂法涂覆在Pt叉指电极上,制备出NO2气体传感器,检测限可达20×10-9。除了常见的剥离法制备的氧化石墨烯之外,化学氧化法制备的氧化石墨烯也可用作NO2气体传感器。采用O3对CVD石墨烯进行处理,制备CVD氧化石墨烯薄膜,并用于NO2气体敏感材料。结果表明,该气体传感器性能明显提高,室温条件下,在NO2浓度为200×10-6环境中,传感器灵敏度、响应时间分别是处理前的2倍和1/8,检测气体浓度达ppb级。
  2.3 H2敏感性能
  近年来,一些基于还原氧化石墨烯(Reduced grapheneoxide,rGO)H2气体传感器得到广泛研究。利用热还原法对氧化石墨烯进行部分还原,采用旋涂法制备了可在室温下工作的还原氧化石墨烯H2气体传感器,探究了热还原条件对rGO的H2气敏性能的影响,分别将氧化石墨烯置于70 ℃ 空气中(rGO70a)和200 ℃(rGO200v)及500℃(rGO500v)真空中。结果表明,3种样品分别表现出n型、双极性和p型半导体类型。最后,选取rGO500v作为H2敏感材料,不掺杂任何贵金属元素,室温下,当H2浓度为160×10-6时,响应时间为20s,恢复时间为10s,灵敏度为4.5%
  2.4 CH4敏感性能
  CH4是瓦斯气体中主要成分,也是一种清洁燃料,广泛应用于日常生活和工业生产中,因此,对CH4气体的泄漏监测十分必要。侯若男等研究了氧化石墨烯及热还原产物对CH4气体的敏感性能。结果表明,经100~250℃还原后,O/C原子比由0.43降至0.32,含氧官能团逐渐减少,其中除了氧化石墨烯及热还原产物,氧化石墨烯复合材料也可以提高对CH4气体的敏感性能。Alexander等制备了系列氧化石墨烯复合材料CH4气体传感器,结果表明,rGOODA对CH4气体敏感性能最佳,灵敏度为1.069%。
  3 氧化石墨烯气体敏感机理
  氧化石墨烯表面含有羟基、环氧基、羧基和羰基等含氧官能团,具有比表面积大、分散性好等优良特性,是一种非常理想的气敏材料。氧化石墨烯吸附的气体分子会作为施主(受主)提供(接受)电子,电荷转移引起氧化石墨烯电导率的变化,从而实现对待测气体的检测。基于氧化石墨烯气体传感器的常见结构有电阻型和场效应晶体管(FET)型两种
  理论计算表明,H2O 分子与氧化石墨烯表面环氧基(C-O-C)和羟基(C-OH)官能团以氢键形式结合,吸附能分别为0.201eV 和0.259eV(见图10)。同时,Medhekar等研究了H2O分子与氧化石墨烯相互作用机制,发现氧化石墨烯吸水量与外界湿度水平有关。在相对低湿度环境下(0.9%和25.8%),氧化石墨烯薄膜吸附水量较少,氢键主要在氧化石墨烯层间的羟基和羟基之间、羟基和环氧基之间形成;而在相对高湿度环境下,大量吸附水进入氧化石墨烯层间,与氧化石墨烯表面的羟基和环氧基形成氢键网络
  4 结语
  近些年,科研工作者对氧化石墨烯的气敏性能开展了大量研究工作,也取得了丰硕成果。总体来讲,氧化石墨烯是一种十分理想的气敏材料,通过对氧化石墨烯的改性,其气敏性能得到明显提高。然而,在具体的应用中仍然存在如下挑战:(1)氧化石墨烯表面含氧官能团类型是决定气敏性能的关键因素,有效控制氧化石墨烯表面含氧官能团类型是传感器达到最佳性能的关键;(2)氧化石墨烯经复合、掺杂改性处理后可以提升气体传感器的性能;(3)氧化石墨烯结合SAW、QCM、MEMS等微纳传感器结构,可有效克服材料本身高阻态的不足,提高传感器的灵敏度,缩短响应-恢复时间。综上所述,氧化石墨烯在气体传感器中的应用取得了一定成果,开发了不同结构、类型的气体传感器,并通过对氧化石墨烯表面含氧官能团种类、含量的控制,显著提高了传感器的性能。随着氧化石墨烯制备、改性技术的日益成熟,氧化石墨烯在气体传感器中的应用会取得更大的进步。
 

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