CN104792847A - 一种碳纳米管金属复合物气体传感器 - Google Patents

一种碳纳米管金属复合物气体传感器 Download PDF

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骆艺
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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管金属复合物气体传感器，其中所述碳纳米管金属复合物气体传感器包括基板、碳纳米管金属复合物、电极、芯片、电源及信号输出部，所述电极为阵列式电极；所述芯片与阵列式电极相连，用于处理信号；所述信号输出部连接至芯片，用于输出芯片中处理过的信号；所述电极用于向芯片输送电信号；所述碳纳米管金属复合物覆盖与阵列电极每个电极之间的空隙中，使阵列电极的每个电极之间由所述碳纳米管金属复合物连接，所述碳纳米管金属复合物为碳纳米管与金属纳米颗粒的复合物，其中所述金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。通过将金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内并制作成气体传感器，能够提高碳纳米管基气体传感器的灵敏度。

Description

一种碳纳米管金属复合物气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器领域，尤其涉及一种碳纳米管金属复合物气体传感器。
背景技术
碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成，也可以说是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。碳纳米管按照石墨烯片的层数可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易形成陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷，与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均一性。由于碳纳米管拥有典型的纳米级层状中空结构，具有较高的长径比(直径为几十纳米以内，长度为几微米到几百微米)，较大的比表面积、表面能和表面结合能，还有类石墨的多层管壁结构，能够作为纳米反应器或填充器，而且化学稳定性较好，碳纳米管表面经修饰后可以作为具有某些独特性能的催化剂。然而，纯的碳纳米管之间存在极强的范德华力，具有疏水性，极易产生缠绕团聚，使其在复合材料中很难分散，用酸处理后的碳纳米管表面带有亲水基团如羧基和羟基，使其容易溶于水和溶液中，但是酸处理后的碳管表面会存在各种缺陷，伴有无定形碳、石墨微粒、金属催化剂等杂质，这些杂质较难彻底除去，且碳纳米管是由单一的碳原子通过sp3和sp2杂化组成，化学活性低，在制备复合材料时很难与基底形成有效地结合，应用于燃料电池、催化剂等领域会不同程度的影响其性能。
由于碳纳米管(CNTs)独特的结构和电学力学等性能，使其在纳米复合材料的应用上具有很大的潜力，例如在超级电容器、传感器、电池、场效应显示器等领域的应用。在碳纳米管精细的中空管道结构中可以填充各种金属或金属氧化物，例如贵金属Pt、Ru等，过渡金属Fe、Co、Ni等，同时也可以作为纳米反应器，在管道内发生化学反应。碳纳米管主要是由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成，但是一般碳纳米管表面都会存在一些缺陷，这些缺陷则会增加反应活性位点，使得金属或金属氧化物纳米颗粒更好的附着在碳纳米管表面。
碳纳米管复合物由于其特异的性能被广泛应用于各行各业，金属颗粒能够被容易地形成在碳纳米管管外，上述形成方法简单，例如溶液法、沉积法等，这种碳纳米管复合物已经被广泛研究，其在气体传感器中具有很广泛的应用，但目前很少有人将金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内，目前贵金属纳米颗粒被形成在碳纳米管管内，在催化领域具有优异的性能，已经有学者证明了金属纳米颗粒在碳纳米管管内受到碳纳米管管壁的限域效应电子结构被改变，而与此同时碳纳米管管外的电子结构也会被改变。
虽然贵金属纳米颗粒形成于碳纳米管管内已经被证明在催化领域能够起到很不错的效果，但将其他金属可控地形成于碳纳米管管内仍然是一项挑战，并且其金属纳米粒子与碳纳米管相互作用如何影响碳纳米管金属复合物用于气体传感器时的性能仍有待研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何形成碳纳米管金属复合物气体传感器，并且通过金属纳米颗粒提高所述碳纳米管金属复合物气体传感器的气体传感性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种碳纳米管金属复合物气体传感器，其中所述碳纳米管金属复合物气体传感器包括基板、碳纳米管金属复合物、电极、芯片、电源及信号输出部。所述电极为阵列式电极；所述芯片与阵列式电极相连，用于处理信号；所述信号输出部连接至芯片，用于输出芯片中处理过的信号；所述电极用于向芯片输送电信号；所述碳纳米管金属复合物覆盖与阵列电极每个电极之间的空隙中，使阵列电极的每个电极之间由所述碳纳米管金属复合物连接，所述碳纳米管金属复合物为碳纳米管与金属纳米颗粒的复合物，其中所述金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。
进一步地，所述碳纳米管金属复合物的厚度为50nm～2.5μm。
进一步地，所述阵列电极每个电极之间的空隙的宽度为2.5μm～10μm。
进一步地，所述阵列电极由铜、银或者金形成。
进一步地，所述金属纳米颗粒的尺寸为1～10nm。
进一步地，所述金属纳米颗粒是由先形成于碳纳米管管内的金属氧化物还原形成。所述还原反应是在氢气存在时500～900℃下或者在惰性气氛下700～900℃下与碳纳米管上碳进行的。
进一步地，所述金属为铁、钴、镍、锰、铌、钼中的一种或上述多种金属组成的合金。
本发明的碳纳米管金属复合物气体传感器，具有如下有益效果：通过将金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内并制作成气体传感器，能够提高碳纳米管基气体传感器的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的碳纳米管金属复合物气体传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的铁纳米颗粒与碳纳米管复合物的TEM图；
图3是本发明实施例二中的铁纳米颗粒与碳纳米管复合物的TEM图。
图中：1阵列电极，2碳纳米管金属复合物，3芯片，4信号输出部，5电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本发明提供了一种碳纳米管金属复合物气体传感器，其中所述碳纳米管金属复合物2气体传感器包括基板、碳纳米管金属复合物2、电极5、芯片3、电源及信号输出部4。所述电极5为阵列式电极；所述芯片3与阵列式电极相连，用于处理信号；所述信号输出部4连接至芯片3，用于输出芯片3中处理过的信号；所述电极5用于向芯片3输送电信号；所述碳纳米管金属复合物2覆盖与阵列电极1每个电极5之间的空隙中，使阵列电极1的每个电极5之间由所述碳纳米管金属复合物2连接，所述碳纳米管金属复合物2为碳纳米管与铁金属纳米颗粒的复合物，如图2所示，其中，所述铁金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。
所述碳纳米管金属复合物2的厚度为50nm。
所述阵列电极1每个电极5之间的空隙的宽度为2.5μm。
所述阵列电极1由铜、银或者金形成。
所述金属纳米颗粒的尺寸为1nm。
所述金属纳米颗粒是由先形成于碳纳米管管内的金属氧化物还原形成。所述还原反应是在氢气存在时500℃下或者在惰性气氛下700℃下与碳纳米管上碳进行的。
本发明实施例中，通过将铁金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内并制作成气体传感器，能够提高碳纳米管基气体传感器的灵敏度。
实施例二：
如图1所示，本发明提供了一种碳纳米管金属复合物气体传感器，其中所述碳纳米管金属复合物2气体传感器包括基板、碳纳米管金属复合物2、电极5、芯片3、电源及信号输出部4。所述电极5为阵列式电极；所述芯片3与阵列式电极相连，用于处理信号；所述信号输出部4连接至芯片3，用于输出芯片3中处理过的信号；所述电极5用于向芯片3输送电信号；所述碳纳米管金属复合物2覆盖与阵列电极1每个电极5之间的空隙中，使阵列电极1的每个电极5之间由所述碳纳米管金属复合物2连接，所述碳纳米管金属复合物2为碳纳米管与镍金属纳米颗粒的复合物，如图3所示，其中，所述镍金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。
所述碳纳米管金属复合物2的厚度为500nm。
所述阵列电极1每个电极5之间的空隙的宽度为5μm。
所述阵列电极1由铜、银或者金形成。
所述金属纳米颗粒的尺寸为5nm。
所述金属纳米颗粒是由先形成于碳纳米管管内的金属氧化物还原形成。所述还原反应是在氢气存在时700℃下或者在惰性气氛下800℃下与碳纳米管上碳进行的。
本发明实施例中，通过将镍金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内并制作成气体传感器，能够提高碳纳米管基气体传感器的灵敏度。
实施例三：
如图1所示，本发明提供了一种碳纳米管金属复合物气体传感器，其中所述碳纳米管金属复合物2气体传感器包括基板、碳纳米管金属复合物2、电极5、芯片3、电源及信号输出部4。所述电极5为阵列式电极；所述芯片3与阵列式电极相连，用于处理信号；所述信号输出部4连接至芯片3，用于输出芯片3中处理过的信号；所述电极5用于向芯片3输送电信号；所述碳纳米管金属复合物2覆盖与阵列电极1每个电极5之间的空隙中，使阵列电极1的每个电极5之间由所述碳纳米管金属复合物2连接，所述碳纳米管金属复合物2为碳纳米管与FeCo合金金属纳米颗粒的复合物，其中，所述FeCo合金金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。
所述碳纳米管金属复合物2的厚度为2.5μm。
所述阵列电极1每个电极5之间的空隙的宽度为10μm。
所述阵列电极1由铜、银或者金形成。
所述金属纳米颗粒的尺寸为10nm。
所述金属纳米颗粒是由先形成于碳纳米管管内的金属氧化物还原形成。所述还原反应是在氢气存在时900℃下或者在惰性气氛下900℃下与碳纳米管上碳进行的。
本发明实施例中，通过将FeCo合金金属纳米颗粒可控地形成在碳纳米管管内并制作成气体传感器，能够提高碳纳米管基气体传感器的灵敏度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种碳纳米管金属复合物气体传感器，包括基板、碳纳米管金属复合物(2)、电极(5)、芯片(3)、电源及信号输出部(4)，其特征在于，
所述电极(5)为阵列式电极(5)；
所述芯片(3)与阵列式电极(5)相连，用于处理信号；
所述信号输出部(4)连接至芯片(3)，用于输出芯片(3)中处理过的信号；
所述电极(5)用于向芯片(3)输送电信号；
所述碳纳米管金属复合物(2)覆盖与阵列电极(1)每个电极(5)之间的空隙中，使阵列电极(1)的每个电极(5)之间由所述碳纳米管金属复合物(2)连接，所述碳纳米管金属复合物(2)为碳纳米管与金属纳米颗粒的复合物，其中所述金属纳米颗粒形成在碳纳米管管内。
2.如权利要求1所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述碳纳米管金属复合物(2)的厚度为50nm～2.5μm。
3.如权利要求1所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述阵列电极(1)每个电极(5)之间的空隙的宽度为2.5μm～10μm。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述阵列电极(1)由铜、银或者金形成。
5.如权利要求1所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述金属纳米颗粒的尺寸为1～10nm。
6.如权利要求5所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述金属纳米颗粒是由先形成于碳纳米管管内的金属氧化物还原形成。
7.如权利要求6所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述还原反应是在氢气存在时500～900℃下进行的。
8.如权利要求6所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述还原反应是在惰性气氛下700～900℃下与碳纳米管上碳进行反应的。
9.如权利要求6至8中任一权利要求所述的碳纳米管金属复合物气体传感器，其特征在于所述金属为铁、钴、镍、锰、铌、钼中的一种或上述多种金属组成的合金。
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