基于石墨烯掺杂复合材料敏感层的超声波氢气传感器的研制

The aim of this project is to study ultrasonic hydrogen sensors on the basis of a type of composite materials, RGO-doped metallic oxides, used as sensing layers. Graphene, which is a new type of nanometer material, has attracted considerable attention in the research of material science owing to the unique physical properties, which exhibits great potentials in the application in gas sensors due to the characteristics of good electrical properties, extremely large specific surface areas, high porosities, and etc. It is observed that doping graphene or graphene-like materials into metallic oxides can dramatically increases the effective absorbing area of the sensing layer by supplying new absorbing sites. Additionally, the doping of graphene/RGO also enhances the electrical properties of the sensing layer by increasing the transfer rate of electrons in the metallic oxides. Therefore, the performance of the sensing layers based on metallic oxides can be effectively increased by doping graphene/RGO. In this project, the Sol-gel method is used to create a new type of sensing layers made of RGO-doped metallic oxides, which is applied for hydrogen sensing. Using the sensing layer, ultrasonic hydrogen sensors operating with Rayleigh mode and Love mode are created on the basis of piezoelectric crystals of lithium niobate and lithium tantalate, respectively. By doping RGO, we change the performance of a traditional sensing layer, which can enhance the gas-absorbing ability and increase the conductivity sensitivity of the hydrogen sensor. Then, a new type of high-performance hydrogen sensors are created based on the RGO-doped sensitive materials.

本课题旨在研制利用掺杂石墨烯衍生物——化学还原态氧化石墨烯（RGO）——的金属氧化物复合材料作为敏感层的超声波氢气传感器。石墨烯作为一种新型纳米材料以其独特的物理性质成为材料学研究的热点，而其优秀的电学性能、极大的比表面积，高孔隙率等特点使其在气体传感器中有着巨大的应用潜力。研究发现，在金属氧化物材料中掺杂石墨烯或类石墨烯材料可以增加气体吸附面积，提供新的气体吸附位；同时还能加快材料的电子转移速率，增强敏感层电学性质。因此，掺杂石墨烯可以有效地提高金属氧化物敏感层的性能。在本项目中，我们将采用溶胶凝胶法制备一种新型的RGO掺杂的金属氧化物敏感层，用于微量氢气的检测。将这种敏感层生长在铌酸锂和钽酸锂压电晶体表面，研制出基于Rayleigh波和Love波两种模式的氢气传感器。通过RGO掺杂，改变金属氧化物敏感层的物理性质，增强其对氢气的吸附能力，并且优化敏感层的电学性质，提高传感器的灵敏度。

随着全世界范围内对清洁，可再生能源的重视程度不断提高，氢气作为一种新型的可再生清洁能源显示出了巨大的应用潜力。然而，作为一种易燃易爆且无色无味的气体，氢气在使用中时时伴随着危险，因此，如果要拓展氢能源的应用领域，必须配套大量高性能的氢气传感器。本项目旨在研制利用石墨烯及其衍生物——化学还原态氧化石墨烯（RGO）以及金属催化剂复合敏感层的超声波氢气传感器。石墨烯作为一种新型纳米材料以其独特的物理性质成为材料学研究的热点，而其优秀的电学性能、极大的比表面积，高孔隙率等特点使其在气体传感器中有着巨大的应用潜力。在本项目中，我们将采用溶胶凝胶法制备一种新型的基于石墨烯及其衍生物的氢气敏感层，并辅以金属铂(Pt)作为催化剂，将这种复合敏感层生长于压电基底上，研制成高灵敏度超声波氢气传感器。本项目主要研究内容如下：.1.建立理论模型，利用负载质量和电导率双重效应提高传感器的灵敏度，为实验研制传感器打下基础；.2.采用溶胶凝胶法制备石墨烯掺杂的WO3及InOx敏感层，并在此基础上，利用改进Hummers法及氧化还原法制备RGO溶液，采用滴定法在压电基底上生长敏感层，并用磁控溅射技术生长Pt催化层，制成传感器原型机；.3.传感器性能检测及优化。建立传感器测量系统，用研制成的传感器测量痕量氢气，并在此基础上对传感器性能进行优化，选择传感器的工作参数及敏感层成膜条件，并对传感器寿命及保存条件进行优化。. 该项目成功研制了常温下工作的高灵敏度氢气传感器，相对于氩气背景中的8ppm浓度的氢气，在常温下获得了超过300 kHz的巨大频率偏移，在空气背景中，100ppm氢气中获得24 kHz的频率偏移。测试结果表明该传感器在常温下有极高的灵敏度，性能达到国际先进水平。