PDF《还原温度对氧化石墨烯结构及室温下 H2 敏感性能的影响》

200 ? C 左右, 对于高浓度氢气、 甲烷等易燃易爆气体的检测存在 严重安全隐患 [1?4] . 研究可在室温下检测易燃易爆 气体的传感器具有重要的意义. 石墨烯作为继碳纳米管之后的又一种新型碳 材料, 完美的二维晶体结构、单个原子层厚度以 及超强的导电性 [5] , 使其能够达到检测单个气体 分子的水平 [6] . 研究发现氧化石墨烯 (graphene oxide, GO) 也具有优异的气敏性能 [7,8] , 这是因为 GO 是石墨烯的一类重要衍生物, 具备和石墨烯 类似的性质, 且表面含有羟基、羧基、环氧基及 羰基等含氧官能团 [9] . GO 表面含氧官能团的种 类和数量对其气敏性能尤其是选择性起决定性作 用, 理论计算表明 [10?12] , H2O 分子与 GO 中羟基 (C―OH) 和环氧基 (C―O―C) 官能团以氢键形式 结合, 吸附能分别为 0.259 和0.201 eV;

NH3 分子 与羟基 (C―OH) 吸附能达到 0.529 eV, 与双羟基 (C―OH_HO―C) 吸附能为 0.603 或0.840 eV, 电 荷转移量为 0.073e―0.136e (e 为电子电量);

GO 表 面的羟基 (C―OH) 对NO2 气体分子具有很好的选 择性. 为了提高传感器灵敏度, 缩短响应恢复时 间, 常采用贵金属 (Pt, Pd) 对石墨烯、 GO 进行修 ? 国家自然科学基金 (批准号: U1630132, 41272051) 和西南科技大学研究生创新基金 (批准号: 15ycx074) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: tjpeng@swust.edu.cn ? 通信作者. E-mail: sunhongjuan@swust.edu.cn ?

2017 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 080701-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 66, No.

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080701 饰处理. Chu 等[13] 报道了 Pt 修饰石墨烯的 H2 敏 感性能, 当沉积 Pt 膜的厚度为

5 nm, 工作温度为

175 ? C 时, 可检测 1% (体积分数) 的H2 (N2) 环境. Pandey 等[14] 报道了 Pd 修饰的还原氧化石墨 烯(reduced graphene oxide, rGO) 氢气传感器, 在 体积分数为

5 * 10?5 的H2 环境中, 分别探讨了测 试温度为 30, 50,

75 ? C 时传感器的气敏性能. 结 果表明, 随着测试温度升高, 响应时间可从

1000 s (30 ? C时)缩短至700 s (75 ? C时). Anand等[15] 制 备了石墨烯/ZnO 复合材料的氢气传感器, 发现石 墨烯质量分数为 1.2% 时气敏性能最佳, 在体积分 数为2 * 10?4 的H2 环境中, 测试温度为150 ? C时, 响应时间为

22 s, 恢复时间为

90 s, 灵敏度达 3.5%. 可以发现, 上述报道的气体传感器工作温度偏高, 需要增加加热单元, 且需通过与贵金属复合, 增加 了生产成本, 这使其应用受到一定限制. 近来的一些研究表明, 对GO 进行热还原处理可以实现气体传感器在室温下工作 [16,17] . Lu 等[18] 在氩气气氛下, 采用一步 (直接加热至

200 ? C) 和多步 (100, 200,

300 ? C) 加热方式, 制 得不同还原程度的 rGO 并测试其气敏性能. rGO 表现出 p 型半导体的性质, 在室温下对低浓度 NO2 (2 * 10?6 ) 和NH3 (1%) 有很好的响应. 热还原法 是一种常见且简单的还原方法, 关于其中还原温度 对所制备 rGO 的H2 敏感性能影响的相关文献报 道尚不多见, 氧化石墨烯的还原程度对 H2 气敏性 能的影响规律有待进一步深入研究. 本文采用改进的 Hummers 法制备氧化石墨凝 胶, 将其超声分散制备氧化石墨烯溶胶, 再以氧化 石墨烯溶胶为前驱体, 在空气气氛中不同温度条件 下焙烧处理制备得到不同还原程度的系列还原氧 化石墨烯. 采用X射线衍射仪、 拉曼光谱仪、 傅里叶 变换红外光谱仪和气敏元件测试仪对样品结构、 官 能团和气敏性能进行测试, 以揭示还原温度对rGO 的结构、 含氧官能团及气敏性能的影响和内在规律.