氣體報警器采用石墨烯傳感器未來發展的方向

    石墨烯的研究與應用開發持續升溫，石墨和石墨烯有關的材料廣泛應用在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優異的性能及其潛在的應用價值，在化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域已取得了一系列重要進展。 研究者們致力于在不同領域嘗試不同方法以求制備高質量、大面積石墨烯材料。并通過對石墨烯制備工藝的不斷優化和改進，降低石墨烯制備成本使其優異的材料性能得到更廣泛的應用，并逐步走向產業化。

石墨烯可以做成化學傳感器，用于氣體報警器這個過程主要是通過石墨烯的表面吸附性能來完成的，根據部分學者的研究可知，石墨烯化學探測器的靈敏度可以與單分子檢測的極限相比擬。 石墨烯獨特的二維結構使它對周圍的環境非常敏感。 石墨烯是電化學生物傳感器的理想材料，石墨烯制成的傳感器在醫學上檢測多巴胺、葡萄糖等具有良好的靈敏性。

1　氧化石墨烯的制備方法
　　根據處理方式不同，氧化石墨烯的制備方法可分為氧化石墨剝離法和石墨烯化學氧化法。其中，剝離法是以氧化石墨為原料，利用機械力將其結構層剝離而獲得氧化石墨烯。其最大的優點是可大規模制備，且制備的氧化石墨烯可穩定分散于水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和二甲基甲酰胺(DMF)等極性溶液中。因此，剝離法制備的氧化石墨烯便于采用溶液旋涂的方式涂覆在基底上，可廣泛應用于電子器件、透明柔性電極和觸摸屏等領域。但是，剝離法在剝離過程中會不可避免地在氧化石墨烯片層上形成許多缺陷，導致一些優良的性能減弱或消失。相關缺陷可以通過化學或物理還原的方法消除，從而恢復氧化石墨烯的優異性能。而化學氧化法是以石墨烯為原料，對其進行氧化處理而獲得氧化石墨烯。例如，化學氣相沉積(Chemical　vapor　deposition，CVD)法制備的石墨烯可用臭氧進行化學氧化，最后獲得氧化石墨烯薄膜。
　　2　氧化石墨烯的氣敏性能
　　2.1　濕敏性能
　　氧化石墨烯因表面含有豐富的含氧官能團而具有良好的親水性，是一種理想的濕敏材料。Guo等報道了一種還原氧化石墨烯電阻式濕度傳感器。首先，將氧化石墨烯分散液涂覆在叉指電極上，然后采用激光還原方式將其部分還原成還原氧化石墨烯。結果表明，制備的濕度傳感器具有較高的靈敏度，在11%～95%相對濕度范圍內阻抗變化超過2個數量級。Bi等制備了一種電容式氧化石墨烯濕度傳感器，響應時間為10.5s，恢復時間為41s
　　氧化石墨烯優異的濕敏性能除了與其自身獨特的結構有關外，還受到成膜或器件制作過程中一些因素的影響。為了探明氧化石墨烯薄膜厚度對濕敏性能的影響，Stefano等采用旋涂法將一定濃度的氧化石墨烯分散液涂覆在銀叉指電極上，研發了一種超快的濕敏傳感器。實驗結果表明，在選定范圍內，當氧化石墨烯薄膜厚度為15nm時濕敏性能最佳，響應時間為20～30ms。除了膜厚度的影響外，器件結構也會影響傳感器的性能。常規電阻式氧化石墨烯濕度傳感器具有高阻特性，導致信號檢測困難。然而，氧化石墨烯濕敏材料與聲波器件(QCM與SAW)、MEMS器件通過聲電和機電耦合等方式制備的濕度傳感器則具有優良的性能。制備了氧化石墨烯石英晶體微天平(QCM)型濕度傳感器，靈敏度達到22.1Hz/%RH，并且在較寬的相對濕度范圍(6.4%～93.5%)內，具有線性響應、穩定性好及響應時間短等優異的濕敏性能。
　　另外，氧化石墨烯修飾的聲表面聲波器件(SAW)濕度傳感器也具有優異性能。Rimeika等報道了一種氧化石墨烯修飾SAW濕度傳感器，在10%～90% 相對濕度變化范圍內，傳感器的輸出幅度變化達到12dB。為了更好地證明氧化石墨烯修飾的SAW 濕度傳感器具有優異濕敏性能，Balashov等分別研究了氧化石墨烯和聚乙烯醇兩種材料修飾的SAW傳感器的濕度性能，結果表明，氧化石墨烯修飾的濕度傳感器的靈敏度為1.54kHz/%RH，遠大于聚乙烯醇修飾的SAW 濕敏傳感器的靈敏度(0.47kHz/%RH)。而且，氧化石墨烯修飾的QCM和SAW 濕度傳感器還具有可直接輸出數字信號、便于與電路集成等優勢，正逐漸成為業界的研究熱點。
　　2.2　NO2敏感性能
　　氧化石墨烯對NO2氣體具有十分優異的敏感性能，吸附過程中氧化石墨烯提供電子給NO2氣體分子。Fowler等采用旋涂工藝將肼還原氧化石墨烯涂覆在叉指電極陣列上，成功制備了靈敏度為13%的NO2氣體傳感器，并可實現室溫下檢測。為了獲得性能更加優異的NO2氣體傳感器，Prezioso等制備了大片徑氧化石墨烯(平均片徑27μm，最大500μm)，也采用旋涂法涂覆在Pt叉指電極上，制備出NO2氣體傳感器，檢測限可達20×10-9。除了常見的剝離法制備的氧化石墨烯之外，化學氧化法制備的氧化石墨烯也可用作NO2氣體傳感器。采用O3對CVD石墨烯進行處理，制備CVD氧化石墨烯薄膜，并用于NO2氣體敏感材料。結果表明，該氣體傳感器性能明顯提高，室溫條件下，在NO2濃度為200×10-6環境中，傳感器靈敏度、響應時間分別是處理前的2倍和1/8，檢測氣體濃度達ppb級。
　　2.3　H2敏感性能
　　近年來，一些基于還原氧化石墨烯(Reduced　grapheneoxide，rGO)H2氣體傳感器得到廣泛研究。利用熱還原法對氧化石墨烯進行部分還原，采用旋涂法制備了可在室溫下工作的還原氧化石墨烯H2氣體傳感器，探究了熱還原條件對rGO的H2氣敏性能的影響，分別將氧化石墨烯置于70 ℃ 空氣中(rGO70a)和200 ℃(rGO200v)及500℃(rGO500v)真空中。結果表明，3種樣品分別表現出n型、雙極性和p型半導體類型。最后，選取rGO500v作為H2敏感材料，不摻雜任何貴金屬元素，室溫下，當H2濃度為160×10-6時，響應時間為20s，恢復時間為10s，靈敏度為4.5%
　　2.4　CH4敏感性能
　　CH4是瓦斯氣體中主要成分，也是一種清潔燃料，廣泛應用于日常生活和工業生產中，因此，對CH4氣體的泄漏監測十分必要。侯若男等研究了氧化石墨烯及熱還原產物對CH4氣體的敏感性能。結果表明，經100～250℃還原后，O/C原子比由0.43降至0.32，含氧官能團逐漸減少，其中除了氧化石墨烯及熱還原產物，氧化石墨烯復合材料也可以提高對CH4氣體的敏感性能。Alexander等制備了系列氧化石墨烯復合材料CH4氣體傳感器，結果表明，rGOODA對CH4氣體敏感性能最佳，靈敏度為1.069%。
　　3　氧化石墨烯氣體敏感機理
　　氧化石墨烯表面含有羥基、環氧基、羧基和羰基等含氧官能團，具有比表面積大、分散性好等優良特性，是一種非常理想的氣敏材料。氧化石墨烯吸附的氣體分子會作為施主(受主)提供(接受)電子，電荷轉移引起氧化石墨烯電導率的變化，從而實現對待測氣體的檢測?；谘趸怏w傳感器的常見結構有電阻型和場效應晶體管(FET)型兩種
　　理論計算表明，H2O 分子與氧化石墨烯表面環氧基(C-O-C)和羥基(C-OH)官能團以氫鍵形式結合，吸附能分別為0.201eV 和0.259eV(見圖10)。同時，Medhekar等研究了H2O分子與氧化石墨烯相互作用機制，發現氧化石墨烯吸水量與外界濕度水平有關。在相對低濕度環境下(0.9%和25.8%)，氧化石墨烯薄膜吸附水量較少，氫鍵主要在氧化石墨烯層間的羥基和羥基之間、羥基和環氧基之間形成;而在相對高濕度環境下，大量吸附水進入氧化石墨烯層間，與氧化石墨烯表面的羥基和環氧基形成氫鍵網絡
　　4　結語
　　近些年，科研工作者對氧化石墨烯的氣敏性能開展了大量研究工作，也取得了豐碩成果?？傮w來講，氧化石墨烯是一種十分理想的氣敏材料，通過對氧化石墨烯的改性，其氣敏性能得到明顯提高。然而，在具體的應用中仍然存在如下挑戰：(1)氧化石墨烯表面含氧官能團類型是決定氣敏性能的關鍵因素，有效控制氧化石墨烯表面含氧官能團類型是傳感器達到最佳性能的關鍵;(2)氧化石墨烯經復合、摻雜改性處理后可以提升氣體傳感器的性能;(3)氧化石墨烯結合SAW、QCM、MEMS等微納傳感器結構，可有效克服材料本身高阻態的不足，提高傳感器的靈敏度，縮短響應-恢復時間。綜上所述，氧化石墨烯在氣體傳感器中的應用取得了一定成果，開發了不同結構、類型的氣體傳感器，并通過對氧化石墨烯表面含氧官能團種類、含量的控制，顯著提高了傳感器的性能。隨著氧化石墨烯制備、改性技術的日益成熟，氧化石墨烯在氣體傳感器中的應用會取得更大的進步

石墨烯有望在諸多應用領域中成為新一代器件，為了探尋石墨烯更廣闊的應用領域，還需繼續尋求更為優異的石墨烯制備工藝，使其得到更好的應用。 石墨烯雖然從合成和證實存在到今天只有短短十幾年的時間，但是已成為今年學者研究的熱點。其優異的光學、電學、力學、熱學性質促使研究人員不斷對其深入研究，隨著石墨烯的制備方法不斷被開發，石墨烯必將在不久的將來被更廣泛的應用到各領域中。

RBT-8000-FCX型氣體探測器三線制4-20ma信號

  產品概述

     RBT-8000-FCX型氣體探測器是按照GB15322.1-2003、GB12358-2006 設計的三線制4-20mA通訊的工業用可燃、有毒有害氣體檢測儀器。

    探測器采用雙腔體結構設計，防爆等級為Exd IIC T6 Gb，防護等級為IP65，適用于化工、戶外灌區等環境下。

該探測器具有LCD現場顯示功能，內置紅外接收模塊可實現紅外遙控器校零、標定。 

主要特點

◆ LCD濃度顯示，LED狀態指示

   LCD現場濃度顯示，LED現場狀態指示，可實時顯示測器的運行狀態。

◆ 測量準確

   采用先進的進口傳感器，性能穩定，靈敏度高，抗中毒性能好。

◆ 防爆型設計

   可用于工廠條件的1、2區危險場合。

◆ 維修方便

   傳感器采用數字化模組設計，現場更換時無需校零、標定。

◆ 聲光報警（選配）

   可選擇配接RAS-6000型防爆聲光報警燈，實現現場聲光報警。

技術參數

電氣

◆ 供電電源：DC24V±15%

◆ 最大功率：＜1W

◆ 信號輸出：一組無源常開信號

◆ 連接線纜：≥RVV 3×1.5mm2

◆ 準確度：±5%FS

◆ 檢測原理：催化燃燒式、電化學式、紅外式、半導體式

◆ 響應時間：催化燃燒式  T90＜30s            

             電化學式    T90＜60s            

             紅外式      T90＜90s            

             半導體式    T90＜60s

認證

◆ 天津：Exd II C T6 Gb

◆ 公安部：消防產品合格評定中心RBT-8000-FCX氣體探測器CCC認證證書

◆ 應用標準：GB15322.1-2003，GB12358-2006

環境

◆ IP等級：IP65

◆ 工作溫度：-40℃～70℃

◆ 濕度范圍：10%RH～95%RH

◆ 壓力范圍：86Kpa～106Kpa

◆ 存儲溫度：-25℃～55℃

產品安裝

◆ 材料：鑄鋁

◆ 防爆連接螺紋：G3/4" 內螺紋

◆ 外形尺寸：190mm×130mm×75mm

◆ 重量：1.5㎏

◆ 安裝方式：貼壁式、抱管式、穿管式

◆ 安裝固定孔直徑為：Φ8mm

◆ 探測器安裝時應使傳感器朝 下固定

◆ 正確連線后，應固定好探測器外蓋，以達到防爆要求。