摘 要

鉴于传统气敏材料仍存在工作温度高、选择性差、稳定性较差等不足；石墨烯气敏材料具有很好的稳定性，铜锑硫量子点气敏材料理论上具有高灵敏度、选择性好等优势；同时石墨烯基复合纳米气敏材料较单纯的气敏材料有很大的性能提升。由此可得，在研究石墨烯材料的基础上开展研究铜锑硫量子点复合在气敏研究工作中具有重要意义。

本论文主要研究了铜锑硫量子点/石墨烯复合材料对NH₃的气敏性能。以热注入法制备铜锑硫量子点/石墨烯复合材料，并对所得材料进行结构、形貌表征以及气敏性能测试。研究结果表明：铜锑硫量子点/石墨烯复合材料中，铜锑硫量子点平均尺寸约为5 nm，以正交相形式存在，在石墨烯片层上分布密集均匀，以键合形式复合。铜锑硫量子点/石墨烯复合材料对NH₃具有非常好的选择性，最佳工作温度为室温，室温下对NH₃的最低检测极限为1 ppm，对1000 ppm的NH₃响应值为1.7，说明铜锑硫量子点在与石墨烯复合后材料对NH₃的灵敏度有较大的提升，同时也改善了材料的工作稳定性。最后，对复合材料的气敏机理进行了讨论。

关键词：铜锑硫量子点；石墨烯；复合材料；NH₃；气敏特性

Abstract

On account of the fact that firstly, there are some disadvantages on traditional gas sensing materials, such as high operating temperature, poor selectivity and stability, et al. Besides, graphene is stable and theoretically the copper antimony sulfide(CAS) quantum dots(QDs) do well in sensitivity and selectivity. Moreover, graphene-based nanocomposites gas sensing materials are better than the pure graphene. Therefore, we draw a conclusion that it plays a critical role to set out to research on CAS QDs/graphene gas sensor materials.

In this paper, we mainly study the gas sensing properties of CAS QDs/graphene nanocomposites. We synthesize CAS QDs/graphene nanocomposites with the method of solvent thermal method firstly. And then, we characterize the structures and morphology of the composites. Finally, we test the gas sensing properties of the composites. The result shows that CAS QDs are orthorhombic with an average size of 5 nm, anchored on graphene sheets with chemical bonds, which distribute evenly and intensively on graphene in CAS QDs/graphene nanocomposites. The CAS QDs/graphene nanocomposites have relatively good gas selectivity to NH₃. The best operating temperature is room temperature. And the detection limit to NH₃ at room temperature is 1 ppm. And the value of the detection to 1000 ppm NH₃ at room temperature is 1.7. It clearly illustrated that the CAS QDs/graphene nanocomposites are more sensitive to NH₃ than the pure CAS QDs or pure graphene. At the same time, the composites make the material more stable. Finally, we discuss the sensing mechanism of CAS QDs/graphene nanocomposites.

Key word: CAS QDs, graphene, composites, NH₃, gas sensing properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 气体传感器的应用 1

1.2 气敏材料的发展 1

1.3 纳米气敏材料 2

1.3.1 石墨烯气敏材料 3

1.3.2 量子点气敏材料 5

1.3.3 石墨烯纳米复合气敏材料 5

1.4 本文研究内容 6

第2章 材料制备与表征 7

2.1 实验试剂与仪器 7

2.1.1 实验试剂 7

2.1.2 实验仪器 8

2.2 铜锑硫量子点/石墨烯复合气敏材料的制备 8

2.2.1 还原氧化石墨烯的制备 8

2.2.2 铜锑硫量子点的制备 9

2.2.3 铜锑硫量子点/石墨烯复合材料的制备 10

2.3 铜锑硫量子点/石墨烯复合气敏材料的结构、形貌和性能表征方法 10

2.3.1 结构与形貌表征 10

2.3.2 性能表征 11

第3章 铜锑硫量子点/石墨烯复合材料结构形貌表征 13

3.1 物相分析 13

3.2 形貌分析 16

3.3 本章小结 18

第4章 铜锑硫量子点/石墨烯复合材料气敏性能研究 19

4.1 铜锑硫量子点和铜锑硫量子点/石墨烯复合材料的气敏性能对比研究 19

4.2 铜锑硫量子点/石墨烯复合材料在不同温度下的气敏性能 22

4.3 铜锑硫量子点/石墨烯复合材料的气敏选择性能研究 25

4.4 本章小结 26

第五章 结论与展望 27

5.1 结论 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 32

第1章 绪论

1.1 气体传感器的应用

“物联网”是继计算机、互联网之后，成为世界信息产业的第三次浪潮。传感器作为物联网的基础单元，是物联网的重要组成部分。气体传感器是传感器领域的一个重要分支，可应用在电子鼻、电子舌^[3]等仿生系统中。通过在合适的检测点上安装合适的气体传感器和数据采集传输仪，可以使气体传感器与我们周围的环境无缝融合，在空气检测、火险监测、水情检测等环境保护领域中具有重大的实用意义。同时，随着生活水平的提高，人们对生活生产的安全日益重视。然而，生活生产方面的安全隐患层出不穷，时刻威胁着人们的安全。而在环境保护及防范安全隐患方面，易燃、易爆或有毒气体的检测和报警都显得极为重要，只有及时准确地对有害气体含量进行检测分析，才能尽快采取相应对策以降低损失成本。因此，气体传感器在物联网有关环境保护的应用以及人们的日常生活中起着极其重要的作用，并且对气体传感器的性能有较高的要求。

正是因为气体传感方面这一举足轻重的地位，至今全世界都致力于发展高性能气体传感器。评判气体传感器性能有四个标准：灵敏度、选择性、速度（响应及恢复速度）和稳定性。气体传感器的灵敏度是指在传感器一定浓度的目标气体中的器件电阻与空气中的器件电阻之间的比值；选择性是指传感器区分特定气体种类的能力；速度是指传感器能够对气体发生响应的时间，以及从响应状态恢复到常态的时间；稳定性是指传感器能够对气体产生响应的重复次数。