不同氧化程度氧化石墨烯氨氣敏感性能及機理

本稿件的寫作思路及研究背景來自于國家自然基金“功能化石墨烯氣體傳感器多氣氛檢測技術(shù)及敏感機理”，氧化石墨烯中含有多種含氧官能團，可作為氣體分子的吸附位點，而不同的含氧官能團對不同氣體分子的吸附性能差異明明顯，羥基對氨氣具有很好的吸附性，通過控制反應(yīng)條件使氧化石墨烯中的羥基含量占優(yōu)勢，使其對氨氣的吸附性更強，達(dá)到對氨氣高選擇吸附的目的。摘要：基于改進的Hummers法，通過改變氧化劑KMnO4用量制備了各種含氧官能團含量差異明顯的氧化石墨烯（GOs）水相分散液，采用旋涂法制備了厚度均一的GOs氣敏元件。利用XRD、FTIR、XPS對樣品的結(jié)構(gòu)、官能團種類及含量進行了分析；利用氣敏測試系統(tǒng)對GOs氣敏元件的NH3敏感性能進行了測試。結(jié)果表明：GOs含有羥基（—OH）、環(huán)氧基〔—CH(O)CH—〕等含氧官能團，隨KMnO4用量的增加，GOs中羥基（—OH）的相對含量（XPS測得）先增加后減少，當(dāng)m（KMnO4）∶m（石墨）=3∶1時，—OH的相對含量最高。不同氧化程度的GOs氣敏元件對NH3靈敏度與其—OH的相對含量呈正相關(guān)性，GOs中—OH相對含量為43.75%時，氣敏元件對體積分?jǐn)?shù)為0.008%的NH3最大靈敏度達(dá)到78%，且有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，重復(fù)性誤差為3.1%。GOs對NH3分子的響應(yīng)存在兩種機制：NH3分子進入GOs片層間水分子層后水解形成NH4+的離子電導(dǎo)，和GOs結(jié)構(gòu)層上含氧官能團對NH3分子吸附后形成氫鍵的電荷轉(zhuǎn)移。結(jié)論（1）GOs樣品的含氧官能團具有明顯的差異，—CH(O)CH—和—COOH出現(xiàn)在氧化程度較高的GOs-4、GOs-5樣品中，—OH相對含量隨氧化劑用量增加先增加后減小，當(dāng)m（KMnO4）∶m（石墨）=3∶1時，GOs中—OH相對含量最高，達(dá)到43.75%。（2）不同氧化程度的GOs氣敏元件對NH3的靈敏度與其—OH相對含量成正相關(guān)性，響應(yīng)時間隨—OH相對含量增加而縮短，恢復(fù)時間則隨—OH相對含量增加而增加。（3）—OH對NH3具有良好的選擇性，—OH相對含量最高時（GOs-3），NH3敏感性能達(dá)到最佳，即對體積分?jǐn)?shù)為0.008%的NH3最大靈敏度為78%，且具有較好穩(wěn)定性和重復(fù)性，重復(fù)性誤差為3.1%。（4）GOs對NH3分子的響應(yīng)存在兩種機制：NH3分子進入GOs片層間水分子層后水解形成NH4+的離子電導(dǎo)機制；GOs結(jié)構(gòu)層上含氧官能團對NH3分子吸附后的電荷轉(zhuǎn)移機制。（5）羥基型GOs具有良好的氨敏性能，可實現(xiàn)室溫下對NH3的有效檢測，是一種潛力巨大的NH3氣體傳感器材料。不同氧化程度GOs元件靜態(tài)電阻變化曲線（a