[发明专利]一种对丙酮敏感的多面体状四氧化三钴-三维多孔石墨烯凝胶复合材料膜

说明书

技术领域

本发明属于气敏传感器技术领域，具体涉及一种多面体形状的四氧化三钴和三维多孔石墨烯凝胶复合材料膜的制备及其对丙酮的气敏性能研究。

背景技术

随着人类社会的不断发展，有毒有害气体的不断排放使得大气环境受到了不同程度的污染，而这种有毒有害气体的存在严重威胁着人类身体的健康。因此，对有毒有害气体的检测对于环境质量的检测和个人安全防护起着极其重要的作用。丙酮(CH₃COCH₃)是有机气体的一种，与人类的生活息息相关。一方面，丙酮是实验室和工业生产车间最常使用的有机试剂之一。吸入大量的丙酮会对人体中枢神经系统产生的抑制、麻醉作用，高浓度接触也会对人的肝、肾和胰腺造成损害。另一方面，糖尿病人的呼出气中丙酮的浓度要远远高于正常人呼出气中的丙酮浓度。因此，检测人的呼出气中丙酮的浓度丙酮又是诊断糖尿病人的一种重要参考标准。

目前，用于检测丙酮气体浓度的传感材料种类繁多。而半导体的金属氧化物材料因其具有成本低廉、灵敏度高、响应回复较快等优点，并且其产品的制备工艺简单、操作方便，已经成为目前世界上应用较为广泛的丙酮敏感材料之一。四氧化三钴(Co₃O₄)是一种非常典型的P型半导体，其禁带宽度为1.6-2.2eV。Co₃O₄具备很强的氧吸附能力，并且已有研究表明其具有优异的丙酮敏感性能。而使用单一的Co₃O₄用于丙酮检测尚存在一些不足，如工作温度高，灵敏度低，响应恢复慢等。这些问题主要可通过两种方案解决:1)调控材料的形貌和微结构，如制备中空结构，三维结构等以增强材料的比表面积。例如，Xu等人利用微波辅助水热法制备了近乎单分散的Co₃O₄纳米立方体结构，并研究了包括丙酮在内的多重有机气体的敏感性能(Sens.Actuators B:2011，157，681)。Wang等人利用表面活性剂辅助的水热制备方法合成了Co₃O₄中空纳米微球，实验结果表明，具有半导体性质的Co₃O₄中空纳米微球对丙酮的敏感性能具有较大的提升(Sens.Actuators B:2009，136，494)。2)通过与其他半导体复合形成p-n异质结。而且这种复合往往具备成本低、化学稳定性好、易于掺杂等优点，容易形成复合型气敏材料。例如，Luo等人利用静电纺丝的方法制备了SnO₂掺杂Co₃O₄中空纳米管结构。其实验结果表明，与本征的Co₃O₄相比，这种结构对丙酮表现出了更高的敏感特性，更低的检测温度和更快的响应(RSC.Adv.2014,108,62862)。Ji等人利用两步法制备了Co₃O₄-WO₃异质结纳米结构，并且研究了其对丙酮的敏感性能，发现该异质结构比纯的WO₃传感器对丙酮表现出了更好的敏感特性。

此外，自石墨烯被发现以来，因其具有极其优异的电学性质，已经被用于广泛的应用于各个领域。因此，丙酮传感器的设计除了构建氧化物异质结，将石墨烯与氧化物复合用于丙酮的探测也引起了越来越多的研究人员的关注。例如，Il-Doo Kim等人两步热处理的方法制备了具有针状分支的一维多空WO₃纤维，然后进一步将其与石墨烯纳米片复合，并研究了该复合结构对丙酮的敏感特性。实验结果表明，该结构对丙酮的敏感性能具有较大的提升(RSC.Adv.2014,10,7584)。

为了实现对丙酮气体的高灵敏、快速检测，我们采用热分解金属有机框架(MOFs)和三维多孔石墨烯凝胶为前驱体的复合材料制备多面体状CO₃O₄和三维多孔石墨烯凝胶的复合材料，然后利用涂覆法制备了敏感器件，并系统研究了工作温度对不同浓度的丙酮敏感性能的影响。该复合材料制备方法简单，原料成本低，可重复性好，基于该结构的传感器对丙酮灵敏度高且响应恢复时间短，具有很好的应用价值和前景。

发明内容