[发明专利]一种氧化钼纳米带/石墨烯复合材料及其在制备氢气敏感元件方面的应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合半导体材料的制备及气敏元器件技术领域，具体地说，本发明涉及一种一维纳米金属氧化钼纳米带/石墨烯复合半导体材料及其制备方法以及该材料在制备氢气敏感元件方面的应用。

背景技术

随着经济社会的快速发展，化石燃料的消耗越来越快，由此带来的能源危机和环境污染也越来越严重。氢气由于其来源广泛，产物无污染及自动再生等优点，受到人们越来越多的关注与研究。目前氢气作为一种保护气体与还原性气体，已经被广泛应用于工业生产、医疗卫生及国防军事等诸多领域。但是由于氢气是一种无色、无味、无嗅的小分子气体，在生产、储存、运输及使用中极易发生泄漏，并且不易察觉，当其在空气中的含量达到4-75%时，遇到明火极易发生爆炸，对生命与财产安全造成严重威胁。因此，必须使用氢气传感器对其泄漏进行监测报警，并对其在空气中的含量进行检测。

目前在市场上，大多数的氢气传感器是薄膜型氢气传感器。这是研究比较早，而且研究比较普遍的一种传感器。但是这种传感器的响应时间并不能满足要求，回复时间普遍较长，并且工作温度较高，大多需要在200℃以上才能表现出比较良好的氢敏性能。这不仅会增加传感器的功耗，还会因为高的工作温度带来巨大的安全隐患。一维半导体材料由于其具有比较大的比表面积，在制备器件方面表现出巨大潜力。在众多半导体金属氧化物中，三氧化钼作为一种功能型半导体材料，在致变色器件、气敏传感器、光催化、场发射、锂离子电池和太阳能电池等一系列领域均展现出了极大的应用价值。目前已经报道了多种合成一维三氧化钼纳米材料的方法，包括热氧化、水热方法和微波辅助方法等，其中水热方法具有产品质量好，产量高等优点，在工业化生产方面具有较大的开发价值。将利用水热法制备得到的纳米材料分散后用于制备器件在氢气传感器的研制中是比较普遍采用的一种方法，但是由于纳米材料尺寸较小，在气敏元器件的敏感层中具有大量的晶界，由于晶界处具有比较大的势垒，会对电子的传输造成散射，因此直接将分散后的纳米材料用于制备气敏传感器的响应时间仍然较长，依旧具有提升空间。例如，2014年，Manal等人将二维MoO₃纳米片组装成氢气传感器，该传感器在50℃时对1%氢气的响应时间为30s。另外，目前制备一维氧化钼与石墨烯进行复合方法的重复性、可靠性差，均有待进一步地提高。因此寻找一种切实可行，并且操作简单，制备工艺稳定，同时适合可控生长的一维氧化钼与石墨烯材料复合的方法很有必要。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种氧化钼纳米带/石墨烯复合材料及其制备方法，本发明的另一目的在于提供一种包含上述氧化钼纳米带/石墨烯复合材料的氢气敏感元件以及该敏感元件的制备方法。

为实现本发明的第一个目的，本发明的一种氧化钼纳米带/石墨烯复合材料，所述复合材料为在石墨烯表面均匀生长着的氧化钼纳米带，所述纳米带的长度为7-20微米，宽度为200-300nm。

本发明的上述氧化钼纳米带/石墨烯复合材料采用如下方法制备：

一种氧化钼纳米带/石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤A：氧化石墨烯的制备

a1）分别将称取好的0.5-6.0g石墨粉、3.0-36.0g高锰酸钾加入到烧杯中，用玻璃棒搅拌，混合均匀后，得到固体混合粉末；

a2）分别将量取好的60-720ml质量分数为98%的浓硫酸、8-80ml质量分数为65%的浓磷酸加入到步骤a1）所述装有固体混合粉末的烧杯中，搅拌混合均匀后，得到混合液体；

a3）将步骤a2）所述盛有混合液体的烧杯放入50℃水浴中，继续搅拌，保温12小时后，得到黏稠状液体混合产物；

a4）分别将量取好的1-20ml 质量分数为30%的双氧水、20-1000ml蒸馏水，搅拌均匀后，冷冻，形成冰块；

a5）将步骤a3）所述得到的黏稠状液体混合产物加入到步骤a4）所述冰块中，待冰块完全溶解后将产物搅拌均匀，然后分别用质量分数为5%的盐酸、蒸馏水、乙醇交替离心洗涤，直至产物呈中性，所得产物为氧化石墨烯分散液，浓度为2-40mg/ml；

步骤B：氧化钼纳米带/石墨烯复合材料的制备

b1）量取0.5-1ml步骤A所述制备得到的氧化石墨烯分散液，量取26.5-36.5ml去离子水，搅拌分散均匀，得到稀释分散液；

b2）向步骤b1）所述得到的稀释分散液中缓慢加入质量分数为65%的浓硝酸，继续搅拌，混合均匀，得到混合酸液，混合酸液中硝酸的浓度为1-5 mol/L；