CN111474214B - 石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯基高灵敏氢气传感器，包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。三层复合筒状结构中，以石墨烯网状结构层为外出，不仅可以显著增大传感器与被检测的气体的接触面积，提高传感器相对于氢气的响应灵敏度，还可以排除一些杂质气体对于传感器的干燥，改善传感器对于氢气检测的精确度。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法。
背景技术
氢气是一种重要的还原气体，广泛应用在化工、石化、医疗等各个领域。同时，氢气还是重要的清洁能源，氢气燃烧能够释放高能量，广泛应用在燃料电池、能源等各个领域。然而，氢气在实际的应用中会存在一定的安全隐患，当局部范围内的空气中的氢气含量大于4%时，极易发生爆炸。而且，由于氢气分子很小，在实际的生产、运输过程中很容易泄漏。加上氢气分子无色无味，很不容易被察觉，其安全隐患比其他的气体更高。需要研发一种能够有效监测氢气浓度的氢气传感器具有重要意义。
通过氢气传感器来检测空气中的氢气的浓度，可以有效监测氢气的泄漏。就材料而言，传统的氢气传感器主要有半导体型金属氧化物传感器和金属薄膜型传感器两类。其中，半导体型金属氧化物传感器的工作条件比较苛刻，且能耗较高；金属薄膜型传感器对氢气的灵敏度有限，且成本相对较高。
石墨烯作为一种新型材料，其独特的二维蜂窝状晶体结构，赋予其优异的物理化学性能，如大的比表面积、良好的导电性、化学稳定性等，其理论厚度仅为一个碳原子的直径，约0.14nm。这些优异的性质使得石墨烯成为各类传感器制作中的宠儿。但目前的石墨烯基传感器通常还存在灵敏度不足、传感器的相应有效性或检测精度不足等缺陷。
基于此，本发明研发出了一种灵敏度高、相应速度快、检测精度高的石墨烯基氢气传感器。
发明内容
基于背景技术中的氢气传感器所存在的缺陷，本发明提出了一种石墨烯基高灵敏氢气传感器及其制备方法。本发明的石墨烯基高灵敏氢气传感器具有三层结构。其中，以平面柔性泡沫镍作为基体，先采用磁控方法在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积得到WO3层，然后再在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积得到石墨烯网状结构层。然后，再将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构，最后将三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极连结即可。
即，本发明的氢气传感器的技术方案为：
一种石墨烯基高灵敏氢气传感器，包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。
进一步地，在所述上电极和所述下电极之间，可以包括多个并列设置的中间复合结构，以并联的方式与上电极和下电极连结，可以进一步提高氢气传感器对于氢气的相应灵敏度。
进一步地，多个并列设置的中间复合结构以单排并列的方式排列，或者以十字形状的阵列排列，或者以米字形状的阵列排列，或者以口字形状的陈列排列。
进一步地，所述三层复合筒状结构的直径为0.5mm-5mm，高度为3mm-15mm。
进一步地，所述三层复合筒状结构中，WO3层的厚度为50nm-1um；所述石墨烯网状结构层的厚度为50nm-500nm；所述泡沫镍基体层的厚度为20-100um。
本发明的石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法为：
（1）平面柔性泡沫镍基体的预处理：以平面柔性泡沫镍为基体，对其进行清洁预处理，依次采用乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后干燥，备用；
（2）磁控溅射沉积WO3层：将清洗后的平面柔性泡沫镍为基体转移至磁控溅射装置中，以金属钨靶为溅射靶，反应磁控溅射得到WO3层；具体工艺参数为：本底真空度1×10- 4Pa，以O2为反应气体，Ar为溅射气体，溅射气压为0.5-3Pa，溅射功率为200-400W，溅射时间为10-100min，在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积WO3层；
（3）化学气相沉积石墨烯网状结构层：将溅射沉积有WO3层的平面柔性泡沫镍基体转移至化学气相沉积装置中，在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积石墨烯网状结构层；具体工艺参数为：甲烷流量为20-80sccm，氢气流量为40-100sccm，Ar流量为20-50sccm反应气压控制在1-5Pa，沉积温度为300-500°C，沉积时间为30-200min；
（4）弯曲成三层复合筒状结构：将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，并将缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构；
（5）上电极和下电极的连结：将三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极密封连结，即可。
本发明的氢气传感器中，对氢气敏感的电极结构为内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构，石墨烯网状结构包覆中间的泡沫镍基体层和内部的WO3层，并形成筒状结构，可以显著增大传感器与被检测的气体的接触面积，提高传感器相对于氢气的响应灵敏度。
在本发明的氢气传感器中，还可以在所述上电极和所述下电极之间，设置多个并列设置的中间复合结构，以并联的方式与上电极和下电极连结，可以进一步提高氢气传感器对于氢气的相应灵敏度，并增强相应的检测信号强度。
在本发明的氢气传感器中，最外层为石墨烯网状结构，该网状结构对于直径较大的气体分子具有一定的过滤效果，可以排除一些杂质气体对于传感器的干燥，改善传感器对于氢气检测的精确度。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和有益效果更加清楚、明显，下面将结合本发明的较佳的实施例进行详细说明。显然，以下实施例并不是本发明的全部内容。
实施例1
一种石墨烯基高灵敏氢气传感器，包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。
所述三层复合筒状结构的直径为2mm，高度为8mm。
所述三层复合筒状结构中，WO3层的厚度为150nm；所述石墨烯网状结构层的厚度为200nm；所述泡沫镍基体层的厚度为50um。
石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法为：
（1）平面柔性泡沫镍基体的预处理：以平面柔性泡沫镍为基体，对其进行清洁预处理，依次采用乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后干燥，备用；
（2）磁控溅射沉积WO3层：将清洗后的平面柔性泡沫镍为基体转移至磁控溅射装置中，以金属钨靶为溅射靶，反应磁控溅射得到WO3层；具体工艺参数为：本底真空度1×10- 4Pa，以O2为反应气体，Ar为溅射气体，溅射气压为1Pa，溅射功率为200W，在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积WO3层；
（3）化学气相沉积石墨烯网状结构层：将溅射沉积有WO3层的平面柔性泡沫镍基体转移至化学气相沉积装置中，在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积石墨烯网状结构层；具体工艺参数为：甲烷流量为40sccm，氢气流量为40sccm，Ar流量为30sccm反应气压控制在3Pa，沉积温度为400°C；
（4）弯曲成三层复合筒状结构：将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，并将缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构；
（5）上电极和下电极的连结：将三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极密封连结，即可。
实施例2
一种石墨烯基高灵敏氢气传感器，包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。
进一步地，在所述上电极和所述下电极之间，可以包括多个并列设置的中间复合结构，以并联的方式与上电极和下电极连结，多个并列设置的中间复合结构以十字形状的阵列排列。
所述三层复合筒状结构的直径为5mm，高度为15mm。
所述三层复合筒状结构中，所述WO3层的厚度为200nm；所述石墨烯网状结构层的厚度为500nm；所述泡沫镍基体层的厚度为100um。
石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法为：
（1）平面柔性泡沫镍基体的预处理：以平面柔性泡沫镍为基体，对其进行清洁预处理，依次采用乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后干燥，备用；
（2）磁控溅射沉积WO3层：将清洗后的平面柔性泡沫镍为基体转移至磁控溅射装置中，以金属钨靶为溅射靶，反应磁控溅射得到WO3层；具体工艺参数为：本底真空度1×10- 4Pa，以O2为反应气体，Ar为溅射气体，溅射气压为3Pa，溅射功率为400W，在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积WO3层；
（3）化学气相沉积石墨烯网状结构层：将溅射沉积有WO3层的平面柔性泡沫镍基体转移至化学气相沉积装置中，在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积石墨烯网状结构层；具体工艺参数为：甲烷流量为80sccm，氢气流量为60sccm，Ar流量为50sccm反应气压控制在4Pa，沉积温度为500°C；
（4）弯曲成三层复合筒状结构：将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，并将缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构；
（5）上电极和下电极的连结：将以十字形状的阵列排列的多个三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极密封连结，即可。
实施例3
一种石墨烯基高灵敏氢气传感器，包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结。
进一步地，在所述上电极和所述下电极之间，可以包括多个并列设置的中间复合结构，以并联的方式与上电极和下电极连结，多个并列设置的中间复合结构以单排并列的方式排列。
所述三层复合筒状结构的直径为0.5mm，高度为4mm。
所述三层复合筒状结构中，所述WO3层的厚度为50nm；所述石墨烯网状结构层的厚度为100nm；所述泡沫镍基体层的厚度为20um。
石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法为：
（1）平面柔性泡沫镍基体的预处理：以平面柔性泡沫镍为基体，对其进行清洁预处理，依次采用乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后干燥，备用；
（2）磁控溅射沉积WO3层：将清洗后的平面柔性泡沫镍为基体转移至磁控溅射装置中，以金属钨靶为溅射靶，反应磁控溅射得到WO3层；具体工艺参数为：本底真空度1×10- 4Pa，以O2为反应气体，Ar为溅射气体，溅射气压为1Pa，溅射功率为200W，在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积WO3层；
（3）化学气相沉积石墨烯网状结构层：将溅射沉积有WO3层的平面柔性泡沫镍基体转移至化学气相沉积装置中，在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积石墨烯网状结构层；具体工艺参数为：甲烷流量为20sccm，氢气流量为40sccm，Ar流量为40sccm反应气压控制在1Pa，沉积温度为300°C；
（4）弯曲成三层复合筒状结构：将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，并将缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构；
（5）上电极和下电极的连结：将以单排并列的方式排列的多个三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极密封连结，即可。
Claims (5)
1.一种石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法，其中，所述石墨烯基高灵敏氢气传感器包括上电极、下电极以及位于上电极和下电极之间的中间复合结构，其特征在于，所述中间复合结构为三层复合筒状结构，三层复合筒状结构的内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层，且三层复合筒状结构的上端与上电极密封连结，三层复合筒状结构的下端与下电极密封连结；其特征在于，包括以下步骤：
（1）平面柔性泡沫镍基体的预处理：以平面柔性泡沫镍为基体，对其进行清洁预处理，依次采用乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，然后干燥，备用；
（2）磁控溅射沉积WO3层：将清洗后的平面柔性泡沫镍为基体转移至磁控溅射装置中，以金属钨靶为溅射靶，反应磁控溅射得到WO3层；具体工艺参数为：本底真空度1×10-4Pa，以O2为反应气体，Ar为溅射气体，溅射气压为0.5-3Pa，溅射功率为200-400W，溅射时间为10-100min，在平面柔性泡沫镍基体的一侧溅射沉积WO3层；
（3）化学气相沉积石墨烯网状结构层：将溅射沉积有WO3层的平面柔性泡沫镍基体转移至化学气相沉积装置中，在平面柔性泡沫镍基体的另一侧化学气相沉积石墨烯网状结构层；具体工艺参数为：甲烷流量为20-80sccm，氢气流量为40-100sccm，Ar流量为20-50sccm，反应气压控制在1-5Pa，沉积温度为300-500°C，沉积时间为30-200min；
（4）弯曲成三层复合筒状结构：将沉积了WO3层和石墨烯网状结构层的平面柔性泡沫镍基体卷绕成筒状结构，并将缺口处用导电胶粘接，得到内层为WO3层，中间层为泡沫镍基体层，外层为石墨烯网状结构层的三层复合筒状结构；
（5）上电极和下电极的连结：将三层复合筒状结构的上端和下端分别与上电极和下电极密封连结，即可。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法，其特征在于：在所述上电极和所述下电极之间，包括多个并列设置的中间复合结构，以并联的方式与上电极和下电极连结，进一步提高氢气传感器对于氢气的相应灵敏度。
3.如权利要求2所述的一种石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法，其特征在于：多个并列设置的中间复合结构以单排并列的方式排列，或者以十字形状的阵列排列，或者以米字形状的阵列排列，或者以口字形状的陈列排列。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法，其特征在于：所述三层复合筒状结构的直径为0.5mm-5mm，高度为3mm-15mm。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯基高灵敏氢气传感器的制备方法，其特征在于：所述三层复合筒状结构中，WO3层的厚度为50nm-1um；所述石墨烯网状结构层的厚度为50nm-500nm；所述泡沫镍基体层的厚度为20-100um。
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