氧化石墨烯的制備及對(duì)CH4和H2的敏感性能研究.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)石墨烯、氧化石墨烯的廣泛研究，發(fā)現(xiàn)采用Hummers制備方法所得的氧化石墨為原料，將其超聲剝離所得的氧化石墨烯具有極大的比表面積和豐富的含氧官能團(tuán)，使得氧化石墨烯與氣體分子的接觸面積大，容易發(fā)生吸附。研究發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯對(duì)某些還原性氣體也具有吸附性能。依據(jù)這一理論，本論文通過熱還原法和化學(xué)還原法獲得具有不同還原程度的氧化石墨烯，以及本課題組制備的不同氧化程度氧化石墨烯為氣敏材料制備系列氣敏元件。查明氧化石墨烯在熱還原、化學(xué)

2、還原以及不同程度氧化過程中結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)的變化規(guī)律及其對(duì)還原性氣體CH4、H2的敏感性能，在結(jié)構(gòu)屬性的表征和研究基礎(chǔ)上揭示其氣敏機(jī)理。
　　研究結(jié)果表明，氧化石墨烯在加熱過程中會(huì)逐漸失去含氧官能團(tuán)，并且不同含氧官能團(tuán)脫失的溫度不一樣。加熱時(shí)氧化石墨烯首先失去層間水，低溫階段以失去羥基為主，高溫階段主要脫失環(huán)氧基。隨著還原溫度升高，氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷以及無序化程度逐漸增
　　加，共軛電子結(jié)構(gòu)逐步得到恢復(fù)，帶隙寬度減小，導(dǎo)致元件

3、電阻減小，表現(xiàn)出負(fù)電阻溫度特性，并且電導(dǎo)率與溫度關(guān)系符合經(jīng)典的Arrhenius關(guān)系。氧化石墨烯及還原程度較低的產(chǎn)物含有較多的含氧官能團(tuán)，對(duì)CH4和H2具有較好的靈敏度，最高分別可達(dá)81％和77%。
　　隨著水合肼用量增加，樣品 ID/IG比值逐漸降低，石墨烯晶面平均尺寸增大，碳原子排列周期性增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)逐漸接近石墨烯結(jié)構(gòu)。不同水合肼用量還原產(chǎn)物也表現(xiàn)出負(fù)的電阻溫度特性，具有典型的半導(dǎo)體行為。低還原程度的氧化石墨烯對(duì)環(huán)境溫度變化較為

4、敏感，具有一定的線性關(guān)系。元件 S-GOS對(duì) CH4和 H2的靈敏度最大分別為29.8%和26.2%。較熱還原所得氣敏元件的靈敏度明顯降低。不同氧化程度氧化石墨烯隨著氧化程度增加，其結(jié)構(gòu)中所含的含氧官能團(tuán)大量增加，對(duì)氣體的靈敏度也增加，對(duì) CH4和 H2的靈敏度最大分別為64.4%和75.8%。
　　化學(xué)氣相沉積法（ CVD）是目前制備高質(zhì)量、大面積石墨烯的有效方法。為了得到常壓化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯的最佳條件，本文以銅箔為基底

5、，甲烷為碳源，氬氣和氫氣為載氣制備石墨烯，采用原子力顯微鏡、光學(xué)顯微鏡和拉曼光譜對(duì)石墨烯的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。以制備過程中幾種重要因素：溫度、時(shí)間、反應(yīng)物濃度等因素分別為變量參數(shù)，分析各參數(shù)對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的影響，優(yōu)化條件并得到單層或少層石墨烯的最優(yōu)參數(shù)。結(jié)果表明最佳反應(yīng)溫度為1000℃；最適宜的退火時(shí)間為60min；甲烷濃度為5sccm時(shí)最有利于石墨烯的生長(zhǎng)；反應(yīng)時(shí)間在3min時(shí)得到了系列中最好的樣品。這些最佳條件組合在一起所得的石墨