CN109298022A - 一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器，包括：传感器底座、基片、二维碲烯、测试端子和加热端子。本公开还揭示了一种制备基于二维材料碲烯薄膜的气体传感器的方法。本公开通过将二维碲烯薄膜沉积在气体传感器的基片上，能够有效的降低气体传感器的工作温度和工作能耗。

Description

一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器及其制备方法

技术领域

本公开属于气体分解产物检测领域，具体涉及一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器及其制备方法。

背景技术

六氟化硫气体(SF₆)由于其具备良好的绝缘特性和灭弧能力，在高压电器设备领域中应用广泛。实践经验证明，常温下稳定的SF₆气体在因放电导致的高温高压条件下会分解出硫化氢(H₂S)、二氧化硫(SO₂)、氟化硫酰(SO₂F₂)、氟化亚硫酰(SOF₂)等气体，由于分解过程复杂，在SF₆电器设备内部这几种气体通常同时存在，且各组分的含量与内部放电情况有关，因而可通过检测电气设备内部的SF₆气体分解产物来检测设备运行情况。

传统意义上，用于检测SF₆气体分解产物情况的方法主要有气相色谱法、红外光谱法、色谱质谱法等，这些方法虽然检测的精度比较高，但是由于高成本和设备体积的限制，难以用于现场设备对SF₆气体分解产物的在线检测。基于金属氧化物半导体的气体传感器已经被用于检测SF₆气体分解产物，但依然存在功耗大、工作温度高、稳定性差和交叉敏感性高等问题。

发明内容

针对以上不足，本公开的目的在于提供一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器及其制备方法，碲烯薄膜作为一种新型的二维材料，不仅具有超高的比表面积、量子尺度效应和良好的表面化学修饰性，还具有在室温下的较高载流子迁移率和工艺可调制带隙，使得采用其作为气体传感器的气敏材料，能够降低气体传感器的工作温度，减小气体传感器的功耗。

本公开通过以下技术方案实现上述目的：

一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器，包括：传感器底座、基片、二维碲烯薄膜、测试端子和加热端子；其中，

所述基片背向所述传感器底座的一面涂覆有金电极，通过第一电极引线焊接在所述测试端子上；

所述基片面向所述传感器底座的一面涂覆有氧化钌材料，通过第二电极引线焊接在所述加热端子上；

所述基片涂覆有金电极的一面沉积有二维碲烯薄膜；

所述测试端子和加热端子焊接于所述传感器底座上。

优选的，所述基片的制备材料为电子陶瓷。

优选的，所述测试端子和所述加热端子的制备材料包括如下任一：金、铂和银-钯。

优选的，所述传感器底座的制备材料包括石英或其他硬度大、耐腐蚀、化学性质稳定的物质。

本公开还提供一种制备基于二维碲烯薄膜的气体传感器的方法，包括如下步骤：

S100：二维碲烯薄膜的合成制备；

S200：基于二维碲烯薄膜的气体传感器的加工制备。

优选的，所述步骤S100包括：

S101：二维碲烯的合成：采用水热合成法，将亚碲酸钠与PVP分散剂混合后搅拌，通过与氨水和水合肼的混合溶液在水热反应釜中加热，还原得到多原子层碲烯；

S102：二维碲烯的的薄化：将步骤S101中所得碲烯置于去离子水和丙酮组成的混合溶液中摇匀并确定所述混合溶液的PH值为10-11，将所述混合溶液密闭静置后滤除上层清液，将所述混合溶液中的沉淀物与去离子水混合进行离心清洗后获得相对少层的二维碲烯。

S103：二维碲烯薄膜的制备：将步骤S102中获得的二维碲烯置于N,N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷组成的混合溶剂中摇匀并加入去离子水形成混合溶液，所述混合溶液和空气交界面聚集形成二维碲烯薄膜。

优选的，所述步骤S200包括：

S201：气体传感器基底加工：在基片背向传感器底座的一面涂覆金电极，通过电极引线焊接在测试端子上；在基片面向传感器底座的一面涂覆氧化钌材料，通过电极引线焊接在加热端子上；

S202：二维碲烯薄膜的转移：将基片涂覆有金电极的一面朝上探入N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷和去离子水组成的混合溶液的边缘，使二维碲烯薄膜均匀覆盖于基片的金电极上，将基片置于烘箱中烘干。

优选的，步骤S101中，所述亚碲酸钠和PVP分散剂的摩尔比为52.4:1。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本发明的气体传感器体积小、成本低、结构简单、加工步骤简单；

2、本发明的气体传感器是基于新型二维材料碲烯的薄膜式气体传感器，工作温度相较于金属氧化物半导体具有明显优势，可以有效地降低能耗，同时还兼具灵敏度高、重复性好的优点；

3、本发明的气体传感器同时拥有测试端子和加热端子，可以实现对传感器基底温度的有效控制。

附图说明

图1是一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器的正视图；

图2是一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器的俯视图；

图3是不同摩尔比对应不同的二维碲烯产出率曲线图；

图4是图1的气体传感器在室温下对H₂S气体的阻值响应曲线图；

图5是图1的气体传感器在室温下对H₂S气体的阻值变化率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开的技术方案进行详细说明。

参见图1、图2，一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器，包括：传感器底座1、基片2、二维碲烯薄膜、测试端子3和加热端子4；其中，所述基片2背向所述传感器底座1的一面涂覆有金电极，通过第一电极引线焊接在所述测试端子3上；所述基片2面向所述传感器底座1的一面涂覆有氧化钌材料，通过第二电极引线焊接在所述加热端子4上；所述基片2涂覆有金电极的一面沉积有二维碲烯薄膜；所述测试端子3和加热端子4焊接于所述传感器底座1上。

上述实施例完整的公开了本发明的技术方案，通过在气体传感器的基片2上涂覆二维碲烯薄膜，能够降低本实施例相较于基于金属氧化物半导体的气体传感器的工作温度，同时可以有效的降低工作能耗。

另一个实施例中，所述基片2的制备材料为电子陶瓷。

本实施例中，制备基片2应选用具有高热导率的材料，易于快速实现对基片2的温度进行控制。

另一个实施例中，所述测试端子3和所述加热端子4的制备材料包括如下任一：金、铂、银-钯。

本实施例中，选用金、铂或银-钯作为测试端子3和加热端子4的制备材料，具有导电系数高、适于信号传递的特点。

进一步的，所述测试端子3和所述加热端子4均呈棒状，直径为0.08～0.10cm，长度为1.6～1.8cm。

另一个实施例中，所述传感器底座1的制备材料包括石英或其他硬度大、耐腐蚀、化学性质稳定的物质。

本实施例中，传感器底座1要求具备相当的硬度和耐腐蚀性，因此，优选石英作为传感器底座1的制备材料，也可以根据具体情况选用与石英具有相同特性的其他物质作为制备材料。

另一个实施例中，本公开还提供一种制备基于二维碲烯薄膜的气体传感器的方法，包括如下步骤：

S100：二维碲烯薄膜的合成制备；

S200：基于二维碲烯薄膜的气体传感器的加工制备。

另一个实施例中，所述步骤S100包括：

S101：二维碲烯的合成：采用水热合成法，将亚碲酸钠与PVP分散剂混合后搅拌，通过与氨水和水合肼的混合溶液在水热反应釜中加热，还原得到多原子层碲烯；

S102：二维碲烯的的薄化：将步骤S101中所得碲烯置于去离子水和丙酮组成的混合溶液中摇匀并确定所述混合溶液的PH值为10-11，将所述混合溶液密闭静置后滤除上层清液，将所述混合溶液中的沉淀物与去离子水混合进行离心清洗后获得相对少层的二维碲烯。

S103：二维碲烯薄膜的制备：将步骤S102中获得的二维碲烯置于N,N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷组成的混合溶剂中摇匀并加入去离子水形成混合溶液，所述混合溶液和空气交界面聚集形成二维碲烯薄膜。

在步骤S101的具体实施例中，选用亚碲酸钠粉末、PVP分散剂、氨水和水合肼作为制备二维碲烯的原材料。其中亚碲酸钠粉末的分析纯纯度为99.7％，PVP分散剂的K值为30，氨水的质量分数为25％，水合肼的质量分数为80％。更具体的，本实施例称取343.5mg的PVP分散剂置于烧杯中，再称取99.8mg的亚碲酸钠粉末置于同一烧杯中，随后向烧杯中注入33ml的去离子水，再将该混合溶液放在磁力搅拌机中设置转速为500rpm搅拌五分钟，形成均匀溶液。使用移液枪取5ml的氨水加入新的烧杯中，再取30ml的水合肼加入烧杯中与氨水混合。随后先将氨水和水合肼的混合溶液加入水热反应釜的内衬中，再将亚碲酸钠与PVP的混合溶液加入水热反应釜的内衬。组装好水热反应釜之后，放入烘箱中，优选的，反应釜温度设为180℃，反应时间设定为40h。水热反应完之后，用一次性塑料滴管去除上层去除清液，剩余的银灰色沉淀加去离子水，用离心机离心清洗三遍以清除杂质离子，离心速度设为5000rpm，离心时间设为5min。

在步骤S102的具体实施例中，将离心清洗后的二维碲烯置于离心管中，注入1ml去离子水和3ml的丙酮轻摇形成混合溶液。利用PH计测定混合溶液的PH值，利用PH为13的氢氧化钠溶液来调节混合溶液的PH值到10-11。将混合溶液在室温下静置9h后，用一次性塑料滴管去除上层清液，剩余的沉淀同样加入去离子水后利用离心机离心清洗三次，优选的，离心速度设置为5000rpm，离心时间设置为5min。

在步骤S103的具体实施例中，将洗涤过后的二维碲烯薄膜悬浮在1.3ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和1ml三氯甲烷的混合溶剂中。利用胶头滴管将混合溶剂滴入去离子水中形成混合溶液，可以观察到在混合溶液和空气的交界面聚集形成二维碲烯薄膜。

另一个实施例中，所述步骤S200包括：

S201：气体传感器基底加工：在基片背向传感器底座的一面涂覆金电极，通过电极引线焊接在测试端子上；在基片面向传感器底座的一面涂覆氧化钌材料，通过电极引线焊接在加热端子上；

S202：二维碲烯薄膜的转移：将基片涂覆有金电极的一面朝上探入N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷和去离子水组成的混合溶液的边缘，使二维碲烯薄膜均匀覆盖于基片的金电极上，将基片置于烘箱中烘干。

在步骤S202的具体实施例中，用镊子夹住基片，将涂覆有金电极的一面朝上探入N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷和去离子水组成的混合溶液的边缘，选择合适位置捞起薄膜，使薄膜均匀覆盖在基片的金电极上。将基片放入烘箱中烘干，即成功的将二维碲烯薄膜转移到基片的金电极上。

另一个实施例中，步骤S101中，所述亚碲酸钠和PVP分散剂的摩尔比为52.4:1。

本实施例中，亚碲酸钠和PVP分散剂的摩尔比会影响生成的二维碲烯的产出量，将亚碲酸钠和PVP分散剂的摩尔比设定为52.4:1，能够保证二维碲烯的产出率最高。如图3所示，除了PVP分散剂的使用量不同之外，其他反应条件都相同的情况下，具体不同摩尔比对应不同的二维碲烯产出率。

在完成基于二维碲烯薄膜的气体传感器的制备后，需要对该气体传感器在室温(23±2)℃条件下进行气敏测试。

参见图4，上述实施例制备完成的基于二维碲烯薄膜的气体传感器在室温(23±2)℃下对H₂S气体进行气敏测试，在250s左右50ppm的H₂S标气，阻值响应明显。

参见图5，上述实施例制备完成的基于二维碲烯薄膜的气体传感器在室温(23±2)℃下对H₂S气体的响应灵敏度达到15％以上，能够大幅度地降低气体传感器的工作温度，能够有效地降低气体传感器的功耗。

以上内容仅为说明本公开的技术思想，不能以此限定本公开的保护范围，凡是按照本公开提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本公开权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于二维碲烯薄膜的气体传感器，包括：传感器底座、基片、二维碲烯薄膜、测试端子和加热端子；其中，

所述基片背向所述传感器底座的一面涂覆有金电极，通过第一电极引线焊接在所述测试端子上；

所述基片面向所述传感器底座的一面涂覆有氧化钌材料，通过第二电极引线焊接在所述加热端子上；

所述基片涂覆有金电极的一面沉积有二维碲烯薄膜；

所述测试端子和加热端子焊接于所述传感器底座上。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，优选的，所述基片的制备材料为电子陶瓷。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述测试端子和所述加热端子的制备材料包括如下任一：金、铂、银-钯。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述传感器底座的制备材料包括石英或其他硬度大、耐腐蚀、化学性质稳定的物质。

5.一种制备权利要求1所述的基于二维碲烯薄膜的气体传感器的方法，包括如下步骤：

S100：二维碲烯薄膜的合成制备；

S200：基于二维碲烯薄膜的气体传感器的加工制备。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

S101：二维碲烯的合成：采用水热合成法，将亚碲酸钠与PVP分散剂混合后搅拌，通过与氨水和水合肼的混合溶液在水热反应釜中加热，还原得到多原子层碲烯；

S102：二维碲烯的的薄化：将步骤S101中所得碲烯置于去离子水和丙酮组成的混合溶液中摇匀并确定所述混合溶液的PH值为10-11，将所述混合溶液密闭静置后滤除上层清液，将所述混合溶液中的沉淀物与去离子水混合进行离心清洗后获得相对少层的二维碲烯；

S103：二维碲烯薄膜的制备：将步骤S102中获得的二维碲烯置于N,N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷组成的混合溶剂中摇匀并加入去离子水形成混合溶液，所述混合溶液和空气交界面聚集形成二维碲烯薄膜。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S200包括：

S201：气体传感器基底加工：在基片背向传感器底座的一面涂覆金电极，通过电极引线焊接在测试端子上；在基片面向传感器底座的一面涂覆氧化钌材料，通过电极引线焊接在加热端子上；

S202：二维碲烯薄膜的转移：将基片涂覆有金电极的一面朝上探入N,N-二甲基甲酰胺、三氯甲烷和去离子水组成的混合溶液的边缘，使二维碲烯薄膜均匀覆盖于基片的金电极上，将基片置于烘箱中烘干。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S101中，所述亚碲酸钠和PVP分散剂的摩尔比为52.4:1。