氢敏材料与器件的研究进展

氢气的检测具有重要的学术意义和广阔的应用前景.氢敏传感器发展的关键在于高品质氢敏材料的研制.本文根据氢敏材料工作原理的不同,分别介绍了电化学型、半导体型、热导型和光学型四类氢敏传感器及相应氢敏材料的国内外研究最新进展,着重描述了各类氢敏材料的作用机制和改性途径,并展望了氢敏材料及氢敏传感器的发展方向.     

氢敏材料及氢气传感器的研究进展

对氢气进行快速、准确、原位测量,具有重要的学术意义和广阔的应用前景.氢气传感器发高品质氢敏材料的研制,氢敏材料的敏感响应性、重现性等决定着氢气传感器的工作性能.综述了近年来研究较多的半导体型、热电型、光学型、电化学型4类氢气传感器及相应氢敏材料的研究进展,并展望了氢敏材料及氢气传感器的发展方向.     

二氧化锡包覆多壁碳纳米管的室温氢敏性能

采用SnCl2溶液法制备二氧化锡包覆多壁碳纳米管(SnO2coated multi-wall carbon nanotubes,SnO2/MWCNTs),研究了SnO2/MWCNTs的室温氢敏性能。SEM和TEM形貌观察表明:粒径5nm的SnO2均匀包覆在MWCNTs表面,并形成连续的包覆层。氢敏性能测试表明:SnO2/MWCNTs材料具有室温氢敏性能,可以实现体积浓度0.01%氢气的检测。在对0.1%氢/氩混合气的室温氢敏测试中发现,当通入空气后出现电流反向波动的现象,这是由于空气中的O2与样品周围的H2生成H2O并吸附在SnO2表面,降低了SnO2/MWCNTs的电阻,随后由于O的竞争吸附,HO又脱附所导致。这一电流反向波动现象暗示SnO/MWCNTs具有室温湿敏性能。     

Pt／WO3纳米薄膜的氢敏特性

用溶胶-凝胶法和磁控溅射法相结合制备了催化剂Pt掺杂的WO3纳米薄膜,通过改变氢气的体积分数、催化剂Pt的含量及热处理温度等实验因素,对Pt／WO3薄膜的氢致变色性能进行了测试;并利用X射线光电子能谱仪（XPS）分析了薄膜的氢敏机理。实验结果表明：先用溶胶-凝胶法制得WO3薄膜,然后再用磁控溅射法在该WO3薄膜上溅射掺杂5％的Pt,制得Pt／WO3双层纳米薄膜,经100℃热处理后,可以获得性能稳定且具有良好氢敏特性的优质薄膜;薄膜能检测的氢气浓度低至0．008％;XPS分析表明,W^5＋与W^6＋之间的转换是引起WO3薄膜氢致变色现象的主要原因。     

贵金属Pd离子掺杂纳米ZnSnO3的氢敏性能及掺杂机理

为了提高ZnSnO3的氢敏性能,以共沉淀法制备ZnSnO3并对其进行了贵金属Pd2＋掺杂.采用X射线衍射仪（X-ray diffraction,XRD）及透射电镜（transmission electron microscopy,TEM）对制备的气敏材料进行结构及形貌表征,并使用静态配气法测试了掺杂前后ZnSnO3的氢敏性能.结果表明：掺杂Pd2＋可显著提高ZnSnO3的氢敏性能.在工作温度为240℃、浓度为300×10-6的条件下,Pd2＋掺杂纳米ZnSnO3对氢气的灵敏度为12,是未掺杂时的3倍.基于第一性原理探讨气敏机理,计算结果表明：Pd2＋掺杂改变了ZnSnO3能带间的电子运动状态,使ZnSnO3费米能级由0.725 eV移动到1.035 eV,在费米能级附近产生新的电子峰,使其电导性能在气敏反应过程中改变更为明显.Pd2＋掺杂还使ZnSnO3表面吸附氧的能力显著增加,对提高氢敏性能起到了关键作用.     

表面等离子共振氢气传感研究进展

基于表面等离子共振原理的光学氢气传感已经成为氢气传感技术研究的热点.表面等离子共振传感器具有安全可靠、灵敏度高、实时性好、便于分布式多点检测等优点,在氢气泄漏检测方向具有广阔的应用前景.本综述介绍了表面等离子共振氢气传感器的三种主要结构类型:棱镜耦合结构,光栅耦合结构和光纤耦合结构的检测原理、典型结构及其研究进展;重点论述了表面等离子共振氢气传感技术中氢敏感膜系的研究现状和技术难题;分析了目前表面等离子共振氢气传感实际应用所面临的瓶颈,并对未来的研究方向进行了展望.结合实际,提出了开发基于光纤微结构和纳米材料的新型氢气传感器件,并且将传感原理延伸至局域表面等离子体共振,表面等离子体共振成像等新兴技术.     

LaNi5合金膜退火后的表面结构和氢敏特性

通过在空气中退火来改善由磁控溅射方法制备的LaNi_5合金膜的表面结构,使其具有在室温下吸放氢的能力。借助原子力显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱,分析了LaNi_5合金膜退火前后的形貌、结构和表层成分。结果表明:在空气中退火后,LaNi_5合金膜比表面积增加,并在其表层形成了La_2O_3-Ni的表层结构。氢敏测试结果显示,在空气中退火的样品不需要在高压纯氢中活化,在室温下即对氢气响应,说明该合金膜可以作为氢气传感器的敏感层。     

SnO2纳米薄膜氢敏特性的研究

采用溶胶-凝胶法制备了SnO2氢敏纳米薄膜.将0.1和0.05mol/L的SnO2溶胶溶液旋涂在Au叉指电极衬底而制得.通过测量在不同温度下SnO2纳米氢敏薄膜的电阻信号来表征其氢敏特性.当温度为250℃时,试样的灵敏度较低,并且响应时间也比较长.温度为300℃时试样的灵敏度较高,响应时间也明显缩短.0.05mol/L溶胶溶液旋涂10层制备的样品在300℃氢气浓度为2.0×10-3时,灵敏度达到了178,响应时间为3.5s.同时实验还发现试样对氢气的响应时间随着氢气浓度的增加先增大再减小.     

纳米结构Pt/WO3薄膜的制备、表征及氢敏性能

以钨粉和双氧水为主要原料,采用溶胶 - 凝胶法制备了WO3纳米薄膜,并用磁控溅射法在该WO3薄膜表面溅射掺杂了催化剂Pt.研究了该Pt/WO3纳米薄膜的结构和氢敏性能,结果表明,用此种方法制备的WO3基掺Pt薄膜具有良好的氢敏特性;平均膜厚160nm;薄膜经400℃以下退火处理后是非晶态结构,表面疏松多孔,氢敏效果好;经400℃以上退火处理后呈晶态结构,表面粗糙致密,氢敏效果差;Pt掺杂量对薄膜的氢敏效果有影响,掺杂量越多,氢敏效果越差.     

氢敏元件的种类及半导体薄膜材料在其中的应用

随着氢燃料电池技术在汽车应用中的日益完善,对高性能氢敏元件的需求也更加迫切。本文介绍了采用不同工作原理制备的氢敏元件的种类,着重描述了半导体薄膜材料的工作原理和改性途径,并针对我国目前研究较少的Ga2O3新型薄膜材料进行了较为详细的综合论述。