N和Mo用于提高氧化石墨烯温敏特性的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子材料及其制备领域，涉及一种利用共掺杂提高氧化石墨烯材料温敏特性的方法，具体涉及N和Mo用于提高氧化石墨烯温敏特性的应用。
【背景技术】
[0002]石墨烯是一种由一层或几层C原子构成的材料，其C-C键以sp2结合，形成密集的蜂窝状晶格结构。由于它具有独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性，使得其在物理学、材料科学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。
[0003]石墨烯是一种非常优秀的导电材料，而氧化石墨烯则是一种具有高电阻率的材料，但同时由于氧化石墨烯官能团具有吸附和解吸附性质，使其电阻率具有一定的温度敏感特性，可以用于制作温度传感器。如中国专利CN103318874B利用氧化石墨烯制备了温度传感器。但基于电阻-温度特性的氧化石墨烯温度传感器的电阻-温度特性曲线的非线性很大，导致在室温区氧化石墨烯电阻随温度下降而急速上升，而在高温区氧化石墨烯电阻随温度的改变又很缓慢。这样的非线性特征在高低温区提高了测量难度、降低了测量精度。例如中国专利CN103318874B发明的温度传感器的适用范围仅为25_250°C范围，其在室温附近的电阻率急速增大到超过了 17Qcm,这样巨大的电阻率导致反馈信号电流过小。为使电阻-温度型氧化石墨烯传感器获得更大的温度测量范围和更高的测量精度，首先需要改善氧化石墨烯材料的温敏特性。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种利用共掺杂提高氧化电阻-温度型石墨烯温敏特性的方法，该方法以勵2和MoCl 3作为掺杂源对氧化石墨烯进行掺杂，掺杂后的石墨烯能带结构发生了变化，对官能团的约束能力发生了改变，从而提高了氧化石墨稀材料的电阻-温度特性。
[0005]为达到上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0006]N和Mo用于提尚氧化石墨稀温敏特性的应用。
[0007]具体的，包括将N和含Mo化合物掺入氧化石墨烯中。
[0008]更具体的，所述的含Mo化合物为MoCl3。
[0009]且于，按原子质量百分比计，氧化石墨烯中N的浓度为I?5%，Mo的浓度为I?10%。
[0010]进一步的，包括采用NO2气氛热处理方法将N掺入氧化石墨烯中后，再利用MoCl 3配合热处理将Mo掺入氧化石墨烯中。
[0011]更进一步的，所述的采用NO2气氛热处理方法将N掺入氧化石墨烯中包括将氧化石墨烯粉末在气压为50Pa的NO2气氛中加热至800°C后恒温5分钟，冷却至室温后取出。
[0012]另外，制备氧化石墨烯粉末包括在质量分数为98%的浓硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高锰酸钾得到混合溶液，将混合溶液依次在10°C、30°C和90°C下各搅拌I小时后加入与混合溶液等体积的质量分数30%的双氧水，静置沉淀后即得氧化石墨烯粉末。
[0013]同时，所述的利用MoCl3配合热处理将Mo掺入氧化石墨烯中包将MoCl 3配制成摩尔浓度为lOmmol/L的THF溶液，将该溶液与氧化石墨烯按照质量百分比5:1混合烘干后，再将氧化石墨烯放入Ar气体中加热至50(TC后恒温5分钟。
[0014]本发明的有益效果为:
[0015](I)本发明将N和Mo两种元素掺杂进氧化石墨烯中，以电阻-温度特性的变化作为温敏变量依据，通过测定发现，掺杂N和Mo两种元素的氧化石墨烯信号反馈为恒压电流，非常简单迅速；能显著降低未掺杂的氧化石墨烯的电阻率对温度变化的非线性程度，使氧化石墨烯温度传感器获得更大的温度有效测量范围；
[0016](2)采用本发明的方法，能显著降低氧化石墨烯在室温和低温区电阻率，从而提高了在室温和低温区的反馈电流，增加了测量精度；
[0017](3)本发明的方法是在制备出氧化石墨烯之后再进行的后处理过程，和氧化石墨烯的具体制备流程不冲突，是一种氧化石墨烯成品的特性增强方案，因此方法的适应性很广。
【附图说明】
[0018]图1为实施例一所制备的氧化石墨烯温敏特性电阻率-温度关系图；
[0019]图2为实施例二所制备的氧化石墨烯温敏特性电阻率-温度关系图；
[0020]图3为实施例三所制备的氧化石墨烯温敏特性电阻率-温度关系图；
[0021]图4为实施例四所制备的氧化石墨烯温敏特性电阻率-温度关系图；
[0022]以下结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明做具体说明。
【具体实施方式】
[0023]现有的氧化石墨烯其非线性特征在高低温区提高了测量难度、降低了测量精度，为使电阻-温度型氧化石墨烯传感器获得更大的温度测量范围和更高的测量精度，首先需要改善氧化石墨烯材料的温敏特性。
[0024]发明人在进行其它特性研究时偶然将N和Mo掺入氧化石墨烯后能极大的改善其温敏特性，具体的通过NO2气氛热处理方法将N掺入氧化石墨烯中后，再利用MoCl 3配合热处理将Mo掺入氧化石墨烯。降低未掺杂的氧化石墨烯的电阻率对温度变化的非线性程度，使氧化石墨烯温度传感器获得更大的温度有效测量范围。
[0025]实施例1:
[0026]步骤1:制备掺杂氧化石墨烯粉末，步骤如下:在质量分数为98%的浓硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高锰酸钾得到混合溶液，将上述混合溶液依次在10/30/90摄氏度下各搅拌I小时后加入与混合溶液等体积的质量分数为30%的双氧水，静置5天后取出沉淀物，超声处理2小时离心过滤后烘干得到氧化石墨烯粉末。
[0027]步骤2:利用~02气体对氧化石墨烯进行N掺杂，步骤如下:将氧化石墨烯粉末放入管式炉中，在气压为50Pa的NO2气氛中加热至800°C后恒温5分钟，冷却至室温后取出。
[0028]步骤3:利用MoCl3对氧化石墨烯进行Mo掺杂，步骤如下:将MoCl 3溶于THF中，配制成摩尔浓度为lOmmol/L的溶液，将该溶液与氧化石墨烯按照质量百分比5:1混合后，利用真空烘箱将其60°C下烘干，再将氧化石墨烯放入Ar气体中加热至500°C后恒温5分钟，冷却至室温后取出，得到N和Mo共掺杂的氧化石墨烯粉末。
[0029]步骤4:配制质量百分比5%的PVA水溶液，加热至90°C待PVA完全溶解后，加入与溶液等质量的氧化石墨烯粉末并混合，利用真空烘箱将其60°C下烘干，再放入不锈钢模具中在500MPa的压力下压制成块体以便电阻率测试，再将氧化石墨烯块体放入真空管式炉中在500°C下热处理60分钟。
[0030]图1中给出了本实施所制备的氧化石墨烯块体在不同温度下所测得的电阻率，可以看出其电阻率随着温度的变化而改变，并且非线性程度较小，在低温区电阻率为14Qcm量级，其有效工作范围可覆盖-100到400°C区间。
[0031]实施例2:
[0032]制备方法与测试同实施例1，但是省略了步骤2和步骤3中的掺杂环节。图2中给出了本实施所制备的氧化石墨烯块体在不同温度下所测得的电阻率，可以看出其电阻率随着温度的变化而改变，但是非线性程度较实施例1更大，在低温区电阻率上升极快，在o°c时已经接近10s Qcm量级，而高温区电阻率改变不明显，整体温敏特性较实施例1更差。对比实施例1和实施例2，可以看出共掺杂显著的提高了氧化石墨烯的温敏特性。
[0033]实施例3:
[0034]制备方法与测试同实施例1，但是省略了步骤2中的掺杂环节。图3中给出了本实施所制备的氧化石墨烯块体在不同温度下所测得的电阻率，可以看出其电阻率随着温度的变化而改变，但是非线性程度较实施例1更大。
[0035]实施例4:
[0036]制备方法与测试同实施例1，但是省略了步骤2中的掺杂环节。图4中给出了本实施所制备的氧化石墨烯块体在不同温度下所测得的电阻率，可以看出其电阻率随着温度的变化而改变，但是非线性程度较实施例1更大。
【主权项】
1.N和Μο用于提尚氧化石墨稀温敏特性的应用。2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，包括将N和含Mo化合物掺入氧化石墨烯中。3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的含Mo化合物为MoCl3o4.如权利要求1、2或3所述的应用，其特征在于，按原子质量百分比计，氧化石墨烯中N的浓度为1?5 %，Mo的浓度为1?10 %。5.如权利要求1、2或3所述的应用，其特征在于，包括采用NO2气氛热处理方法将N掺入氧化石墨烯中后，再利用MoC13配合热处理将Mo掺入氧化石墨烯中。6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的采用NO2气氛热处理方法将N掺入氧化石墨烯中包括将氧化石墨烯粉末在气压为50Pa的N02气氛中加热至800°C后恒温5分钟，冷却至室温后取出。7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，制备氧化石墨烯粉末包括在质量分数为98%的浓硫酸中加入50g/L石墨粉末和20g/L高锰酸钾得到混合溶液，将混合溶液依次在10°C、30°C和90°C下各搅拌1小时后加入与混合溶液等体积的质量分数30%的双氧水，静置沉淀后即得氧化石墨烯粉末。8.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的利用MoCl3配合热处理将Mo掺入氧化石墨烯中包将MoC13配制成摩尔浓度为lOmmol/L的THF溶液，将该溶液与氧化石墨烯按照质量百分比5:1混合烘干后，再将氧化石墨烯放入Ar气体中加热至500°C后恒温5分钟。
【专利摘要】本发明公开了N和Mo用于提高氧化石墨烯温敏特性的应用，以NO2和MoCl3作为掺杂源对氧化石墨烯进行掺杂，掺杂后的石墨烯能带结构发生了变化，对官能团的约束能力发生了改变，提高了氧化石墨烯材料的电阻-温度特性；采用本发明的方法，能显著降低氧化石墨烯的电阻率对温度变化的非线性程度，从而可以让以对应的氧化石墨烯温度传感器获得更大的温度有效测量范围；采用本发明的方法，能显著降低氧化石墨烯在室温和低温区电阻率，从而提高了在室温和低温区的反馈电流，增加了测量精度；本发明的方法是在制备出氧化石墨烯之后再进行的后处理过程，和氧化石墨烯的具体制备流程不冲突，是一种氧化石墨烯成品的特性增强方案，因此方法的适应性很广。
【IPC分类】G01K7/22
【公开号】CN105241571
【申请号】CN201510602885
【发明人】段理, 樊继斌, 于晓晨, 田野, 程晓姣, 何凤妮
【申请人】长安大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月21日