石墨烯碳材料气体传感器是怎么回事?终于真相了!原来是这样的

2020-08-13 13:54:48 湖南赛西 11


碳材料主要包括富勒烯、纳米管、石墨烯和石墨。这些材料如图1.6所示。目前,纳米管和石墨烯主要用于气体传感器。碳纳米管,sp2碳材料,自从被发现以来受到了广泛的关注。因为碳材料气体传感器它独特的结构和碳纳米管具有电学和光学性质,也成为取代传统无机半导体器件的有力竞争者之一。同时



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图1.6 碳材料


基于碳纳米管的气体传感器理想材料52-55具有以下优点:①具有非常高的比表面积,并且例如,壁碳纳米管,它的所有原子都在其表面②它很容易修饰,而且碳纳米管的表面可以进行化学修饰改性后与各种官能团连接,实现对不同气体的选择性识别。


近年来,碳纳米电阻管式气体传感器检测氨气、氢气、甲烷、一氧化碳、氮氧化物气体和硫氧化物气体的研究阶段表1.4为碳纳米管气敏元件的研究进展。



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表1.4基于碳纳米管的气体传感器研究进展


从上表可以看出,基于碳纳米管的气体传感器具有较低的检测限和较高的灵敏度,但是通常需要与其他材料(通常是金属、金属氧化物和聚合物)复合,这增加了材料的制备困难。同时,碳纳米管价格昂贵,目前大规模生产质量好的碳纳米管,特别是单壁碳纳米管碳纳米管气敏元件的广泛应用也面临着一定的困难。


石墨烯作为气敏元件的敏感材料,具有优异的性能,如图1.7所示。首先,石墨烯具有较大的理论比表面积。单层石墨烯薄膜的所有原子都可以看作是表面原子它们可以吸附气体分子,提供单位体积最大的传感面积。第二,石墨烯片之间的相互作用是由于它具有微弱的范德华力,为单层石墨烯片吸附分子提供了强大的共价键,从而与被吸附分子相互作用。


合并。所有这些相互作用干扰都以一种简单的方式表征了石墨烯的电子系统。最后,石墨烯的剩余载流子质量为零,接近其狄拉克点时,石墨烯表现出显著的变化高载流子迁移率使石墨烯比银更具导电性,并且在室温下具有最小的电阻率。此外,石墨烯本身就具有低的电噪声,其高质量的晶格和二维结构使其屏蔽的范围超过一维这种结构有更多的电荷波动。结果是,少量的额外电子会引起石墨导电性的显著变化。非常小石墨烯薄膜上的气体被变化所吸附,电阻下降很多,可以检测到。


石墨烯片材也有制造四点式设备,有效消除接触电阻的影响。化学转化的石墨烯也可以大规模形成在相对较低的条件下合成。事实上,近年来石墨烯材料已被广泛用于检测有毒和爆炸性气体石墨烯基气体传感器的研究越来越热,如图1.8所示。



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1.8近些年发表的有关石墨烯及石墨烯气体传感器的文章数量


各种石墨烯复合材料也被用作传感材料,以提高石墨烯基气敏元件的性能。它的其中,石墨烯/聚合物复合材料通常具有多孔结构,可以加速气体在传感层中的扩散。在这里在这种情况下,复合物的两个组分可以吸附气体分子,从而促进传感层电导率的变化。


为了增加愿望在信号测量方面,铂、钯等贵金属纳米粒子被固定在石墨烯片上催化气体反应。吸附石墨烯及其复合材料表面的氧分子或水分子也能与传感器分子相互作用,并对传感器响应做出贡献。做出了贡献。特别是对于石墨/金属氧化物复合材料,有时采用氧吸附来实现检测反应,即关键的。被吸附的氧分子从金属氧化物中捕获的电子可以转化为离子物种。


引入检测气体后,由于气体与吸附的氧离子相互作用,金属氧化物表面的电子浓度增大它将改变并导致传感层的导电性发生变化。例如,将石墨烯和离子液体混合制备的三维复合物该复合凝胶可用于NO的检测,检测限低至16nM4li及其它水热法制备的SnO2和石墨烯复合材料该材料在室温下对NH3有很高的灵敏度,检测范围为10~100mg/caO等。制备的3D石墨烯复合材料对H2O2的检出限很低(0.0086uM),线性范围为0.0256.3uM,响应时间仅为1.5s57。


将酪氨酸酶固定在石墨烯上制备的传感器可以获得对苯酚检测灵敏度达到3.9nA/Mm,检测限为50mM,线性范围为50M~2uM,响应时间为20s。采用普鲁士蓝和还原石墨烯制备了多孔石墨烯气凝胶。气凝胶不仅比表面积大,而且具有良好的导电性。将其修饰成电极后,可用于过氧化氢检测。检测下限为5nM,线性检测范围为5mM~4mM。石墨烯复合材料作为传感器表现出优异的性能的特性主要归功于石墨烯与添加剂之间的协同作用,它不仅继承了石墨烯传感器的优点,同时也得到了新的特性,加强了信号的采集、信息的传输和结果的输出过程。


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