[发明专利]一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器及制备方法。基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器，包括侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤的露出纤芯的表面涂有一层掺杂石墨烯的氧化锡薄膜。其制备方法为：向锡盐的醇溶液中加入石墨烯混合后陈化获得掺杂石墨烯的氧化锡薄膜溶液，将所述氧化锡薄膜溶液涂覆至侧边抛磨光纤的露出纤芯的表面。本发明提供的传感器对甲烷传感性好、灵敏度较高。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器及制备方法。

背景技术

甲烷在自然界的分布很广，甲烷是最简单的有机物，是天然气，沼气，坑气等的主要成分，俗称瓦斯。也是含碳量最小(含氢量最大)的烃，也是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分。它可用来作为燃料及制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质的原料。

甲烷是一种温室气体。GWP的分析显示，以单位分子数而言，甲烷的温室效应要比二氧化碳大上25倍。这是因为大气中已经具有相当多的二氧化碳，以至於许多波段的辐射早已被吸收殆尽了；因此大部分新增的二氧化碳只能在原有吸收波段的边缘发挥其吸收效应。相反地，一些数量较少的温室气体(包括甲烷在内)，所吸收的是那些尚未被有效拦截的波段，所以每多一个分子都会提供新的吸收能力。

在一大气压力的环境中，甲烷的沸点是-161℃。空气中的甲烷含量只要超过5％～15％就十分易燃，因而甲烷的爆炸极限较低。

矿井瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，如上所述，甲烷既是一种温室气体，又是一种爆炸极限较低的可燃气体，因而甲烷是矿井安全生产监测的重点。

目前，检测甲烷气体的方法主要有催化燃烧型、半导体型、电化学型、光学型等，然而这些方法具有防爆性能差、抗电磁干扰能力弱、电绝缘性差、检测距离较短等缺点。光纤甲烷传感器虽然能够克服上述缺点，但是现有光纤甲烷传感器的甲烷传感性较差、灵敏度较低。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器，该传感器对甲烷传感性好、灵敏度较高。

为了实现上述目的，本发明的光纤甲烷传感器的技术方案为：

一种基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器，包括侧边抛磨光纤，所述侧边抛磨光纤的露出纤芯的表面涂有一层掺杂石墨烯的氧化锡薄膜。

氧化锡薄膜电阻率高，其载流子浓度由氧空位决定，难以控制，本发明通过向氧化锡中掺杂石墨烯，使得掺杂石墨烯的氧化锡薄膜在保持可见光区高透过率的同时，改善了其导电性。石墨烯作为单层的石墨分子比表面积(≥2600m²/g)大，在室温下具有较高的载流子迁移率，并且还具有完美的量子隧道效应、半整数量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列性质。同时，将掺杂石墨烯的氧化锡薄膜涂覆在侧边抛磨光纤的露出纤芯表面，通过纤芯与石墨烯的贴附，将倏逝波耦合到石墨烯波导表面形成复合波导，当甲烷与掺杂石墨烯的氧化锡薄膜接触时，首先，甲烷气体为还原性气体，氧化锡的功函数大于吸附甲烷的离解能，甲烷向氧化锡放出电子成为正离子，使得氧化锡的载流子增多、电导率增加、折射率增加，其次，复合波导的模有效折射率被改变，引起偏振相关的衰减，从而大大提高了光纤甲烷传感器的甲烷传感性和灵敏度。

本发明的目的之二是提供一种上述基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器的制备方法，从而制备出对甲烷传感性好、灵敏度较高的光纤甲烷传感器。

为了实现上述目的，本发明的制备方法的技术方案为：

一种上述基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器的制备方法，向锡盐的醇溶液中加入石墨烯混合后陈化获得掺杂石墨烯的氧化锡薄膜溶液，将所述氧化锡薄膜溶液涂覆至侧边抛磨光纤的露出纤芯的表面。

本发明的目的之三是提供一种上述基于石墨烯增敏的光纤甲烷传感器在甲烷中的应用。