基于石墨烯基复合材料的NH3气体传感器研究进展

NH₃的排放对环境和人类健康有重大影响。近年来,对NH₃的高效实时检测已成为环境监测及分析化学领域的研究热点。作为二维(2D)纳米材料的典型代表——石墨烯,以其独特的物化性能为气体的检测提供了良好的平台。石墨烯及石墨烯基复合材料已被广泛应用于NH₃气体的检测。本文综述了近10年来国内外基于石墨烯基复合材料的NH₃气体传感器的研究进展,重点介绍了几种常见石墨烯复合材料在NH₃气体传感器中的应用。与本征石墨烯相比,金属粒子掺杂石墨烯可增强其对NH₃的吸附能力;金属氧化物掺杂石墨烯可有效提高NH₃气体传感的灵敏度,但响应时间长、重复性较差;有机高分子掺杂石墨烯稳定性相对较差,对环境要求较高;石墨烯三元复合材料可有效提高传感器的稳定性,改善传感选择性。最后,文章对NH₃气体传感器的未来发展趋势进行了展望。     

催化剂选择性催化氧化NH3的新进展

在处理含NH_3的工业废气方面,氨选择性催化氧化法(NH_3-SCO)一直是研究热点。在讨论氨选择性催化氧化法(NH_3-SCO)反应机理的基础上,重点综述了关于选择性催化氧化NH_3的5种催化剂:贵金属催化剂、过渡金属催化剂、分子筛载体催化剂、复合氧化物催化剂及整体催化剂的最新研究进展,并对未来NH_3-SCO的发展进行了展望。     

硅藻土/g-C3N4/氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化性能研究

采用半封闭一步热解方法,以三聚氰胺为前驱物制备g-C₃N₄,然后以圆筒状硅藻土(DE)为载体,合成DE/g-C₃N₄复合材料。并选取天然鳞片石墨为基本原料,运用Hummers法合成了氧化石墨烯(GO),在一定量的DE/g-C₃N₄粉末中加入不同质量分数的GO,得到DE/g-C₃N₄/GO三元复合光催化材料。通过SEM、BET、EDS、XRD、FT-IR对样品的晶体结构、形貌等进行表征,研究复合材料对罗丹明B溶液的光催化降解性能。结果表明,当GO的烯掺量为5%时,DE/g-C₃N₄/GO在可见光下,120min时,对RhB的降解率为93.74%,分别比DE/g-C₃N₄和g-C₃N₄提高了15.05%和31.03%。     

还原氧化石墨烯-聚苯胺复合薄膜制备及其室温下NH3敏感性能

以改进Hummers法获得的氧化石墨为原料制备氧化石墨烯,采用一步水热合成法制备了还原氧化石墨烯(rGO)-聚苯胺(PANI)复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和气敏测试仪对rGO-PANI复合薄膜的结构、形貌和氨气敏感性能进行分析。结果表明,rGO-PANI复合材料比单纯的rGO、PANI的气敏性能更加优异;随着PANI与rGO质量比的增加,灵敏度呈现减小趋势,而响应-恢复时间呈现增大的趋势。在室温下,当聚苯胺与氧化石墨质量比为1:1时复合薄膜氨敏性能最佳,灵敏度50.26%,响应时间156 s,恢复时间214 s。     

改性氧化石墨烯/Fe3O4复合材料的制备及电磁吸收性能

为改善氧化石墨烯（GO）/Fe₃O₄复合材料的分散程度,利用三苯基膦（PPh3）对GO表面进行功能化改性得到改性氧化石墨烯（GOP）,然后采用共沉淀法一步合成GOP/Fe₃O₄复合材料。通过场发射SEM、高分辨TEM、XRD、FTIR、Raman和VSM对GOP/Fe₃O₄复合材料的形貌、结构和磁性能进行表征。利用矢量网络分析仪（PNA）测试了GOP/Fe₃O₄复合材料的电磁参数并模拟计算其对电磁波的吸收性能。结果显示:GOP/Fe₃O₄复合材料的最大电磁波吸收强度值达到-25.4 dB,有效吸收频宽为6.0 GHz,较未改性GO/Fe₃O₄复合材料均有大幅度提高。      

NH3/CO2制冷系统的研究

介绍了CO₂作为冷媒的主要特点及其制冷系统形式,论述了NH₃/CO₂制冷技术的研究内容和试验结论,提出了NH₃/CO₂制冷系统的最佳适用范围。通过大量的系统试验数据和分析表明,NH₃/CO₂制冷系统有着极高的运行效率和安全、环保效应。CO₂因其环保和节能的特点在不久的将来将成为最有前景的制冷剂之一。     

Co3O4/还原氧化石墨烯复合物的合成及其结构与性能表征

用回流法以及后续热处理过程合成了Co3O4/还原氧化石墨烯(rGO)复合物。并对样品的成分、形貌、结构以及电化学性能进行了表征与测试。研究结果表明,当Co3O4与rGO的质量比为87∶13时,复合物比电容达到760F.g-1,并且此复合物表现出较好的循环稳定性。     

氧化石墨烯制备石墨烯的研究进展

近年来,石墨烯已成为世界各国学者研究的热点。由石墨粉先制备氧化石墨烯进而制备石墨烯成为了石墨烯最重要的制备方法。本文综述了氧化石墨烯制备石墨烯的主要方法:化学法、热法、微波法、电化学法、水热法、碱法等,并对各方法的优缺点进行了阐述,最后对石墨烯的未来进行了展望。     

石墨烯/氧化石墨烯-聚乳酸的制备与表征

通过优化Hummers法制备了氧化石墨烯,并用水合肼还原法制备了石墨烯,且对自制的石墨烯和氧化石墨烯进行了测试及分析;然后通过溶液插层法制得纳米级聚乳酸/石墨烯和聚乳酸/氧化石墨烯复合材料,并对其分散性、热学性能以及力学性能进行了分析。对石墨烯和氧化石墨烯的表征结果说明,水合肼可以还原氧化石墨,所制备的石墨烯纯度较高。对聚乳酸/石墨烯和聚乳酸/氧化石墨烯复合材料的性能分析结果表明,在聚乳酸的结晶度、结晶速率和对聚乳酸的结晶成核上,石墨烯比氧化石墨烯具有更优异的表现,但在热稳定性能方面,氧化石墨烯比石墨烯优异;在力学性能方面,有增强和降低两种影响,添加少量氧化石墨烯时聚乳酸的力学性能降低,而含质量分数为0.5%的石墨烯复合材料在拉伸实验和冲击实验中的增强效果较为明显。     

氧化石墨烯还原制备石墨烯的方法研究

以天然鳞片石墨为原料,对Hummers法制备的氧化石墨烯,分别采用氢碘酸、葡萄糖、乙二胺、氢氧化钠进行化学还原,同时对比用快速热处理制备石墨烯。利用傅立叶红外光谱（FT—IR）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）对所得产物进行了比较分析。结果表明：对Hummers法制备的氧化石墨烯还原,葡萄糖的还原效果比较好;通过热处理可有效地将氧化石墨烯的含氧官能团还原,是一种高效、可行的方法。     

Co3O4中空纳米球的可控制备及气敏性能

以碳纳米球为模板,采用硬模板法制得多孔Co_3O_4中空纳米球。分别采用SEM、XRD、FTIR、BET和XPS对Co_3O_4纳米球的形貌和结构进行表征。通过改变前驱体浓度和陈化反应时间调控Co_3O_4中空纳米球的空间结构及气敏性能。结果表明:在前驱体浓度为0.1mol/L、陈化时间为48h时,得到的Co_3O_4中空纳米球的表面呈疏松多孔结构。Co_3O_4中空纳米球直径约为500nm,由40nm的Co_3O_4纳米粒子组成。室温下,由该材料组装的气敏传感器对浓度为100×10^-6～0.5×10^-6的NH_3有较好的气敏性能;对浓度为100×10^-6的NH_3响应灵敏度高达155.8%,响应时间为1.3s。该气体传感器对NH_3的最低检测限为0.5×10^-6。     

Large-area nanopatterned graphene for ultrasensitive gas sensing

Chemical vapor deposited （CVD） graphene is nanopatterned using a spherical block copolymer etch mask. The use of spherical rather than cylindrical block copolymers allows homogeneous patterning of cm-scale areas without any substrate surface treatment. Raman spectroscopy was used to study the con- trolled generation of point defects in the graphene lattice with increasing etching time, confirming that alongside the nanomesh patterning, the nanopatterned CVD graphene presents a high defect density between the mesh holes. The nanopatterned samples showed sensitivities for NO2 of more than one order of magnitude higher than for non-patterned graphene. NO2 concentrations as low as 300 ppt were detected with an ultimate detection limit of tens of ppt. This is the smallest value reported so far for non-UV illuminated graphene chemiresistive NO2 gas sensors. The dramatic improvement in the gas sensitivity is believed to be due to the high adsorption site density, thanks to the combination of edge sites and point defect sites. This work opens the possibility of large area fabrication of nanopatterned graphene with extremely high densities of adsorption sites for sensing applications.     

氧化钨纳米线敏感膜对CO气体的气敏性能

采用丝网印刷法制备了氧化钨纳米线敏感膜,系统研究了不同热处理温度下敏感膜的结构、形貌以及对CO气体的气敏性能.结果表明,氧化钨纳米线敏感膜具有较高的结构稳定性,经450℃热处理后其结晶取向和结构均未发生变化;热处理温度的升高有助于提高敏感膜的晶化程度,同时导致其表面的氧化钨纳米棒逐渐变短、变粗直至消失,并最终形成较大的纳米颗粒;经300℃热处理的敏感膜在300℃时对1×10 叫CO气体具有最佳的气敏性能,其灵敏度为17.64,响应时间为8s,恢复时间为16s.     

溶胶-凝胶法纳米WO3材料的合成、表征及气敏性能

采用溶胶-凝胶法制备了一系列掺杂有SiO2的WO3纳米粉体,通过TEM、XRD等分析手段对产物粉体的粒度、晶相结构进行了表征,测试了材料的气敏性能,探讨了煅烧温度、掺杂量、工作温度对材料气敏性能的影响。结果表明：适量SiO2的掺杂有利于提高WO3对NO2气体的灵敏度,其中掺杂量为3％（质量分数）的气敏元件在较低的工作温度下气敏性能突出。     

Ag-LaFeO3的制备及甲醛气敏性能研究

采用溶胶-凝胶法结合微波化学法制备了Ag-LaFeO3气敏材料。利用热分析(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)以及傅里叶变换红外光谱法(FT-IR)对其进行了分析和表征。结果显示所制备的样品为正交钙钛矿结构,含有Ag和LaFeO3两种物相。气敏测试结果表明,当AgNO3与La(NO3)3的摩尔比为1:9时所制备的Ag-LaFeO3元件对1.0×10-6甲醛气体的灵敏度和选择性均优于其它摩尔比的元件,响应恢复时间均约为180s。     

纳米Fe2O3-还原氧化石墨烯复合材料的制备及对双酚A的检测

双酚A（BPA）被广泛应用于食品包装材料中,它会引起人体内分泌失调,并导致免疫和生殖系统异常,因此对生活用水中BPA的检测十分重要。本文采用一步水热法合成纳米Fe₂O₃-还原氧化石墨烯（Fe₂O₃-rGO）复合材料并进行表征,基于Fe₂O₃-rGO复合材料构建电化学传感器Fe₂O₃-rGO/玻碳电极,用于检测水样中的BPA。通过FTIR、XRD和SEM分析,表明纳米Fe₂O₃粒子成功附着到rGO上;采用微分脉冲伏安法（DPV）进行BPA的电化学检测,结果显示BPA在0.1~100 μmol/L范围内呈现良好的线性关系,检出限为0.033 μmol/L（信噪比为3）。同时,Fe₂O₃-rGO/玻碳电极电化学传感器对电活性物质和常见金属离子具有良好的抗干扰能力,且实样检测结果理想。      

气敏材料Au-WO3催化特性的物理解释

对Au-WO3粉体材料的制备及氨酶特性进行了研究,得到材料的电阻和对氨的灵敏度随Au含量的增加先增大,达到某一极值后减小的实验结果,本文还用透射电子显微镜（TEM）观察了Au颗粒在WO3表面的分布情况,发现Au颗粒的团聚现象,根据电子催化模型对Au在WO3表面的随机分布情况进行了计算机模拟,模拟结果与实验观测现象相符,在此基础上给出了Au颗粒催化机理的定性物理解释。     

Wearable gas/strain sensors based on reduced graphene oxide/linen fabrics

Multifunctional wearable e-textiles have been a focus of much attention due to their great potential for healthcare, sportswear, fitness, space, and military applications. Among them, electroconductive textile yarn shows great promise for use as the next-generation flexible sensors without compromising properties and comfort of usual textiles. Recently, a myriad of efforts have been devoted to improving performance and functionality of wearable sensors. However, the current manufacturing process of metal-based electroconductive textile yarn is expensive, unscalable, and environmentally unfriendly. In this work, we report the preparation of multifunctional reduced graphene oxide/linen (RGO/LN) fabrics through the reduction and the followed suction filtration. As-prepared RGO/LN fabric could serve as the methane gas sensor, which exhibited high sensitivity, remarkable reliability and feasibility. Furthermore, the RGO/LN fabric sensor exhibited good moisture permeability and air permeability. The present work reveals that RGO/LN fabric has great potential as wearable smart devices in personal healthcare applications.     

氧化石墨烯/聚氨酯杂化膜的原位聚合构建及气体渗透性

采用Hummers法制备了3种不同氧化程度的氧化石墨烯(GO),通过聚氨酯(PU)单体(4,4’-二异氰酸苯酯(MDI)和1,4-丁二醇(BDO))与GO的原位聚合构建了GO/PU杂化膜。利用XRD、Raman、FTIR和TEM等表征了GO的结构;探讨了GO填充量对GO/PU杂化膜的形貌和CO2、N2渗透性的影响。结果表明:3种不同氧化程度的GO均呈完全剥离状态,为半透明片状结构;随着氧化程度的增加,拉曼D峰与G峰的相对强度比分别为0.947、1.103和1.245;GO的氧化程度对GO在溶剂和杂化膜中的分散性有较大影响,氧化程度越高,分散性越好。GO/PU杂化膜的CO2、N2渗透系数及CO2/N2渗透选择因子均随GO填充量的增加先增大后减小;当中等氧化程度的GO(M-GO)与(MDI+BDO)的质量比为1.0%时,M-GO/PU杂化膜的CO2渗透系数为63.6×10-13 cm3(STP)/(cm·Pa·s),其中STP表示标准温度及压力,CO2/N2渗透选择因子可达48.5;填充适量的GO能显著提高GO/PU杂化膜的CO2渗透性及CO2/N2渗透选择性。     

花状SnO2的制备及其气敏特性的研究

以乙二醇(C2H6O2)为有机溶剂,采用溶剂热法制备了花状SnO2纳米材料,并将制备的SnO2制成旁热式气敏元件.通过XRD,SEM等测试手段对SnO2纳米材料进行了表征,并初步分析了气敏元件对丙酮的敏感机理.制备的SnO2材料是由粒径约为10 nm的颗粒有规则的堆叠而成的直径约为3～4μm的花瓣清晰的多孔分级花状结构.研究发现,气敏元件对丙酮气体有很好的响应灵敏度.在最佳工作温度(350℃)时,检测的丙酮体积分数最低为1×10-6.对100 ppm丙酮的响应及恢复时间分别为40和50 s.且气敏元件对丙酮气体的响应灵敏度远高于对苯、甲苯、甲醇、甲醛、氨等气体的响应灵敏度.