N和Mo用于提高氧化石墨烯溫敏特性的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子材料及其制備領(lǐng)域，涉及一種利用共摻雜提高氧化石墨烯材料溫敏特性的方法，具體涉及N和Mo用于提高氧化石墨烯溫敏特性的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由一層或幾層C原子構(gòu)成的材料，其C-C鍵以sp2結(jié)合，形成密集的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。由于它具有獨(dú)特的二維碳納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理屬性，使得其在物理學(xué)、材料科學(xué)以及凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域引起了人們的廣泛興趣。
[0003]石墨烯是一種非常優(yōu)秀的導(dǎo)電材料，而氧化石墨烯則是一種具有高電阻率的材料，但同時(shí)由于氧化石墨烯官能團(tuán)具有吸附和解吸附性質(zhì)，使其電阻率具有一定的溫度敏感特性，可以用于制作溫度傳感器。如中國(guó)專利CN103318874B利用氧化石墨烯制備了溫度傳感器。但基于電阻-溫度特性的氧化石墨烯溫度傳感器的電阻-溫度特性曲線的非線性很大，導(dǎo)致在室溫區(qū)氧化石墨烯電阻隨溫度下降而急速上升，而在高溫區(qū)氧化石墨烯電阻隨溫度的改變又很緩慢。這樣的非線性特征在高低溫區(qū)提高了測(cè)量難度、降低了測(cè)量精度。例如中國(guó)專利CN103318874B發(fā)明的溫度傳感器的適用范圍僅為25_250°C范圍，其在室溫附近的電阻率急速增大到超過(guò)了 17Qcm,這樣巨大的電阻率導(dǎo)致反饋信號(hào)電流過(guò)小。為使電阻-溫度型氧化石墨烯傳感器獲得更大的溫度測(cè)量范圍和更高的測(cè)量精度，首先需要改善氧化石墨烯材料的溫敏特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種利用共摻雜提高氧化電阻-溫度型石墨烯溫敏特性的方法，該方法以勵(lì)2和MoCl 3作為摻雜源對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行摻雜，摻雜后的石墨烯能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，對(duì)官能團(tuán)的約束能力發(fā)生了改變，從而提高了氧化石墨稀材料的電阻-溫度特性。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0006]N和Mo用于提尚氧化石墨稀溫敏特性的應(yīng)用。
[0007]具體的，包括將N和含Mo化合物摻入氧化石墨烯中。
[0008]更具體的，所述的含Mo化合物為MoCl3。
[0009]且于，按原子質(zhì)量百分比計(jì)，氧化石墨烯中N的濃度為I?5%，Mo的濃度為I?10%。
[0010]進(jìn)一步的，包括采用NO2氣氛熱處理方法將N摻入氧化石墨烯中后，再利用MoCl 3配合熱處理將Mo摻入氧化石墨烯中。
[0011]更進(jìn)一步的，所述的采用NO2氣氛熱處理方法將N摻入氧化石墨烯中包括將氧化石墨烯粉末在氣壓為50Pa的NO2氣氛中加熱至800°C后恒溫5分鐘，冷卻至室溫后取出。
[0012]另外，制備氧化石墨烯粉末包括在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高錳酸鉀得到混合溶液，將混合溶液依次在10°C、30°C和90°C下各攪拌I小時(shí)后加入與混合溶液等體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的雙氧水，靜置沉淀后即得氧化石墨烯粉末。
[0013]同時(shí)，所述的利用MoCl3配合熱處理將Mo摻入氧化石墨烯中包將MoCl 3配制成摩爾濃度為lOmmol/L的THF溶液，將該溶液與氧化石墨烯按照質(zhì)量百分比5:1混合烘干后，再將氧化石墨烯放入Ar氣體中加熱至50(TC后恒溫5分鐘。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:
[0015](I)本發(fā)明將N和Mo兩種元素?fù)诫s進(jìn)氧化石墨烯中，以電阻-溫度特性的變化作為溫敏變量依據(jù)，通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，摻雜N和Mo兩種元素的氧化石墨烯信號(hào)反饋為恒壓電流，非常簡(jiǎn)單迅速；能顯著降低未摻雜的氧化石墨烯的電阻率對(duì)溫度變化的非線性程度，使氧化石墨烯溫度傳感器獲得更大的溫度有效測(cè)量范圍；
[0016](2)采用本發(fā)明的方法，能顯著降低氧化石墨烯在室溫和低溫區(qū)電阻率，從而提高了在室溫和低溫區(qū)的反饋電流，增加了測(cè)量精度；
[0017](3)本發(fā)明的方法是在制備出氧化石墨烯之后再進(jìn)行的后處理過(guò)程，和氧化石墨烯的具體制備流程不沖突，是一種氧化石墨烯成品的特性增強(qiáng)方案，因此方法的適應(yīng)性很廣。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例一所制備的氧化石墨烯溫敏特性電阻率-溫度關(guān)系圖；
[0019]圖2為實(shí)施例二所制備的氧化石墨烯溫敏特性電阻率-溫度關(guān)系圖；
[0020]圖3為實(shí)施例三所制備的氧化石墨烯溫敏特性電阻率-溫度關(guān)系圖；
[0021]圖4為實(shí)施例四所制備的氧化石墨烯溫敏特性電阻率-溫度關(guān)系圖；
[0022]以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做具體說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0023]現(xiàn)有的氧化石墨烯其非線性特征在高低溫區(qū)提高了測(cè)量難度、降低了測(cè)量精度，為使電阻-溫度型氧化石墨烯傳感器獲得更大的溫度測(cè)量范圍和更高的測(cè)量精度，首先需要改善氧化石墨烯材料的溫敏特性。
[0024]發(fā)明人在進(jìn)行其它特性研究時(shí)偶然將N和Mo摻入氧化石墨烯后能極大的改善其溫敏特性，具體的通過(guò)NO2氣氛熱處理方法將N摻入氧化石墨烯中后，再利用MoCl 3配合熱處理將Mo摻入氧化石墨烯。降低未摻雜的氧化石墨烯的電阻率對(duì)溫度變化的非線性程度，使氧化石墨烯溫度傳感器獲得更大的溫度有效測(cè)量范圍。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]步驟1:制備摻雜氧化石墨烯粉末，步驟如下:在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高錳酸鉀得到混合溶液，將上述混合溶液依次在10/30/90攝氏度下各攪拌I小時(shí)后加入與混合溶液等體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水，靜置5天后取出沉淀物，超聲處理2小時(shí)離心過(guò)濾后烘干得到氧化石墨烯粉末。
[0027]步驟2:利用~02氣體對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行N摻雜，步驟如下:將氧化石墨烯粉末放入管式爐中，在氣壓為50Pa的NO2氣氛中加熱至800°C后恒溫5分鐘，冷卻至室溫后取出。
[0028]步驟3:利用MoCl3對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行Mo摻雜，步驟如下:將MoCl 3溶于THF中，配制成摩爾濃度為lOmmol/L的溶液，將該溶液與氧化石墨烯按照質(zhì)量百分比5:1混合后，利用真空烘箱將其60°C下烘干，再將氧化石墨烯放入Ar氣體中加熱至500°C后恒溫5分鐘，冷卻至室溫后取出，得到N和Mo共摻雜的氧化石墨烯粉末。
[0029]步驟4:配制質(zhì)量百分比5%的PVA水溶液，加熱至90°C待PVA完全溶解后，加入與溶液等質(zhì)量的氧化石墨烯粉末并混合，利用真空烘箱將其60°C下烘干，再放入不銹鋼模具中在500MPa的壓力下壓制成塊體以便電阻率測(cè)試，再將氧化石墨烯塊體放入真空管式爐中在500°C下熱處理60分鐘。
[0030]圖1中給出了本實(shí)施所制備的氧化石墨烯塊體在不同溫度下所測(cè)得的電阻率，可以看出其電阻率隨著溫度的變化而改變，并且非線性程度較小，在低溫區(qū)電阻率為14Qcm量級(jí)，其有效工作范圍可覆蓋-100到400°C區(qū)間。
[0031]實(shí)施例2:
[0032]制備方法與測(cè)試同實(shí)施例1，但是省略了步驟2和步驟3中的摻雜環(huán)節(jié)。圖2中給出了本實(shí)施所制備的氧化石墨烯塊體在不同溫度下所測(cè)得的電阻率，可以看出其電阻率隨著溫度的變化而改變，但是非線性程度較實(shí)施例1更大，在低溫區(qū)電阻率上升極快，在o°c時(shí)已經(jīng)接近10s Qcm量級(jí)，而高溫區(qū)電阻率改變不明顯，整體溫敏特性較實(shí)施例1更差。對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2，可以看出共摻雜顯著的提高了氧化石墨烯的溫敏特性。
[0033]實(shí)施例3:
[0034]制備方法與測(cè)試同實(shí)施例1，但是省略了步驟2中的摻雜環(huán)節(jié)。圖3中給出了本實(shí)施所制備的氧化石墨烯塊體在不同溫度下所測(cè)得的電阻率，可以看出其電阻率隨著溫度的變化而改變，但是非線性程度較實(shí)施例1更大。
[0035]實(shí)施例4:
[0036]制備方法與測(cè)試同實(shí)施例1，但是省略了步驟2中的摻雜環(huán)節(jié)。圖4中給出了本實(shí)施所制備的氧化石墨烯塊體在不同溫度下所測(cè)得的電阻率，可以看出其電阻率隨著溫度的變化而改變，但是非線性程度較實(shí)施例1更大。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.N和Μο用于提尚氧化石墨稀溫敏特性的應(yīng)用。2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，包括將N和含Mo化合物摻入氧化石墨烯中。3.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的含Mo化合物為MoCl3o4.如權(quán)利要求1、2或3所述的應(yīng)用，其特征在于，按原子質(zhì)量百分比計(jì)，氧化石墨烯中N的濃度為1?5 %，Mo的濃度為1?10 %。5.如權(quán)利要求1、2或3所述的應(yīng)用，其特征在于，包括采用NO2氣氛熱處理方法將N摻入氧化石墨烯中后，再利用MoC13配合熱處理將Mo摻入氧化石墨烯中。6.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的采用NO2氣氛熱處理方法將N摻入氧化石墨烯中包括將氧化石墨烯粉末在氣壓為50Pa的N02氣氛中加熱至800°C后恒溫5分鐘，冷卻至室溫后取出。7.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，制備氧化石墨烯粉末包括在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高錳酸鉀得到混合溶液，將混合溶液依次在10°C、30°C和90°C下各攪拌1小時(shí)后加入與混合溶液等體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的雙氧水，靜置沉淀后即得氧化石墨烯粉末。8.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的利用MoCl3配合熱處理將Mo摻入氧化石墨烯中包將MoC13配制成摩爾濃度為lOmmol/L的THF溶液，將該溶液與氧化石墨烯按照質(zhì)量百分比5:1混合烘干后，再將氧化石墨烯放入Ar氣體中加熱至500°C后恒溫5分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了N和Mo用于提高氧化石墨烯溫敏特性的應(yīng)用，以NO2和MoCl3作為摻雜源對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行摻雜，摻雜后的石墨烯能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，對(duì)官能團(tuán)的約束能力發(fā)生了改變，提高了氧化石墨烯材料的電阻-溫度特性；采用本發(fā)明的方法，能顯著降低氧化石墨烯的電阻率對(duì)溫度變化的非線性程度，從而可以讓以對(duì)應(yīng)的氧化石墨烯溫度傳感器獲得更大的溫度有效測(cè)量范圍；采用本發(fā)明的方法，能顯著降低氧化石墨烯在室溫和低溫區(qū)電阻率，從而提高了在室溫和低溫區(qū)的反饋電流，增加了測(cè)量精度；本發(fā)明的方法是在制備出氧化石墨烯之后再進(jìn)行的后處理過(guò)程，和氧化石墨烯的具體制備流程不沖突，是一種氧化石墨烯成品的特性增強(qiáng)方案，因此方法的適應(yīng)性很廣。
【IPC分類】G01K7/22
【公開(kāi)號(hào)】CN105241571
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510602885
【發(fā)明人】段理, 樊繼斌, 于曉晨, 田野, 程曉姣, 何鳳妮
【申請(qǐng)人】長(zhǎng)安大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日