浅析氧化石墨烯在气体传感器中的应用研究.docVIP

浅析氧化石墨烯在气体传感器中的应用研究 　　　　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27mu;m，最大500mu;m)，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20times;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200times;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