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.     

氢敏变色材料

在众多的氢气泄漏检测方法中,光学色敏示氢检漏法显示出其本质安全的特点.简要介绍了主要类型的氢气检测方法及示氢敏感元件的工作原理,并对可逆氢敏变色材料的发展、应用作了展望.     

以SnO_2纳米颗粒为敏感电极的阻抗型氢气传感器的研究

采用浸渍法在Ce0.9Gd0.1O1.95(CGO)固体电解质骨架中制备敏感材料SnO2,并组装成氢气传感器。利用XRD、SEM对氢气传感器的相组成及微观形貌进行表征,采用IM6e型电化学工作站对传感器气敏性能进行测试。结果表明浸渍法制备的敏感材料SnO2颗粒细小,约为400nm左右;在400~550℃时,传感器阻抗值随氢浓度的增加而减小,且传感器信号与氢气浓度表现出非常良好的线性关系。随着温度升高,传感器的信号响应速度逐渐增加,在550℃、氢浓度为1.0×10-3时,其90%的响应时间为170s。     

MEMS氢气传感器气体冲击试验研究

气体传感器主要应用于可燃气体、有毒有害气体的检测，随着传感器制造工艺的发展以及气敏材料的优化，传感器的特点趋向于低功耗、高灵敏度和小尺寸方向。对传感器性能检测也逐渐提高了要求，文章主要采用动态配气与电磁阀结合，基于GB/T 34004—2017 《家用和小型餐饮厨房用燃气报警器及传感器》标准和美国汽车工程师协会的SAE—J3089 《氢燃料电池汽车信息技术报告-车载氢传感器特性》标准中的气体冲击试验，搭建了气体冲击试验装置，研究气体冲击试验对MEMS氢气传感器可靠性能(寿命)的影响。     

SnO2修饰MoS2薄膜的n-p可调室温氢气响应及其原位SKPM研究(英文)

研发高性能氢气传感器对氢能及相关产业发展具有重要意义.2D-MoS₂纳米材料在构建快速可靠的室温氢气传感器方面优势显著,但灵敏度和选择性较差.本文报导了具有n-p可调型氢敏响应行为的SnO₂修饰MoS₂薄膜,其原位SKPM研究表明SnO₂(0.38 eV)和MoS₂(0.26 eV)在氢敏响应中会出现不同的表面电势变化,使其界面势垒随SnO₂覆盖率的增加而改变,从而使界面效应对体系n型氢敏响应的积极贡献转变为负面补偿.当SnO₂覆盖率为6.4%时,传感器具有增敏、提速且选择性好的n型氢敏响应,当其提高至95.6%时呈现p型响应.这种随结构n-p可调的氢敏响应既能用于传感层的敏感性能调节,还可为MoS₂基二维材料的气敏响应类型调控提供简单易行、成本低廉的方法.     

石墨烯及MXenes在氢气传感器中的应用研究进展

随着石油、煤炭和天然气等化石能源的枯竭，氢能在工业生产和交通运输等方面展现了愈加关键的作用。氢能产业对储氢装置在生产、储运、加注和使用全链条过程中提出了“耐高压、高密封及燃爆安全”等性能的全面要求，高灵敏、快速响应、高选择性和高稳定性的氢气传感器是保障氢能系统安全的重要检测装备。高性能氢气传感器成功制备与应用的关键是研发新型的氢敏材料。石墨烯和MXenes是极具代表性的二维平面纳米材料，不仅具有超高的电学和力学性能，而且易于进行功能化修饰且不影响其固有性能，因此在氢气传感领域具有极大的应用潜力。本文综述了石墨烯和MXenes的基本结构、类型和合成方法，总结了其在氢气传感器中的应用研究进展，指出了存在的问题并提出了解决方案，还对氢气传感器未来的研究方向进行了展望。     

反馈部件的性能参数对热电型气体传感器的影响

热电型气体传感器具有广阔的应用前景.然而在设计制备过程中,通常直接选用热电综合性能较好的材料作为反馈部件,缺乏对热电性能各参数的具体研究,因此在选材上至今尚缺足够的科学依据.本文采用固相反应法和射频磁控溅射技术,分别制备了不同化学配比的Ba1-xSrxPbO3(0≤x≤1)热电材料和对氢气敏感的Pt催化剂层,形成热电型氢气传感器.在相同氢气浓度下测试了各氢气传感器的输出电压,研究了热电参数对传感器性能的影响度.测量结果表明,热电材料的Seebeck值和热导率对热电氢气传感器性能起关键性作用.该研究为制备高性能热电型气体传感器的反馈部件提供了可靠的选材依据.以SrPbO3为反馈部件制备热电氢气传感器,其测试范围可弥补市售氢气传感器因测量范围窄难以满足GB15322的问题,可用于较高氢气浓度的测量和泄漏情况的安全评估.     

氢能源氢气传感器可靠性试验研究

氢能源氢气传感器主要包括催化燃烧式和半导体式。半导体式具有低功耗、高灵敏度、更安全的特点，但可靠性有待提高。本文对半导体薄膜型氢气传感器进行乙醇和乙酸的抗干扰试验，并对其在抗干扰气体方面的可靠性进行评价。     

化学转化柱法测定气体中的微痕量水分的气敏分析仪的研究

采用特制LiAlH4催化反应柱,在(40～60)℃下,将气体中的微、痕量水转化成氢气;以气体中的微、痕量氢标准物质为参考标准,利用N型二氧化锡气敏半导体传感器作为检测器的气敏色谱方法,通过对转化的氢气进行准确测定,从而间接得出气体中微、痕量水的含量。研究表明,本文设计的催化反应装置选择性好,常温下反应快速、完全且稳定,一年来进行了近3000次试验考察表明,转化效率(～100%)基本保持稳定,数据重复性很好。同时,气敏色谱法测水干扰因素少,进样量少,仅(1～2)ml,样品消耗少,仅(2～5)l,几分钟即可完成分析。该方法由于有微量氢标准气体作为相对标准,测水准确度高,不确定度为1%～10%。     

表面等离子共振氢敏传感器理论和模拟

提出了一种钯(Pd)膜氢敏感表面等离子共振传感器结构,该传感器以镀在棱镜端面的 Pd作为氢敏感膜。Pd 膜吸氢以后发生化学反应,生成的 PdHx使折射率发生变化,同时,它作为金属膜产生 SPW,当折射率变化时又在金属和介质表面产生表面等离子共振。利用 Fortran 语言程序进行了表面等离子共振氢敏传感器的 Pd 膜厚度和传感器灵敏度数值模拟。氢气浓度的变化引起折射率的变化,数值模拟表明,表面等离子共振氢敏传感器的灵敏度与 Pd 膜厚度有关,当 Pd膜的厚度在 10-30nm 时,氢气浓度在 1%-10%范围内具有较高的灵敏度。这种传感器结构将用于监测氢气作燃料的商用和军用机车的氢气泄漏。     

Research Surveys of Electrochemical Sensors for in-situ Determining Hydrogen in Steels

1. IntroductionThe source of hydrogen which causes failure in thepresence of stress can be a corrosive reaction, a hydrogen gas circumstance at elevated temperatures andhigh pressure or also a pretreatmellt process such aspickling, welding or a plating process j etc.Since the important role of hydrogen in the catastrophic failure of metal has been recognized, it is understandable that a great interest exists in developingmethods (preferably nondestructive) for determination of the hydrogen con…     

基于SnO2薄膜气体传感器的设计与制作（英文）

设计了一种带硅岛结构的基于SnO2薄膜材料的共面式气体传感器.利用有限元工具对传感器进行了稳态热分析,分析结果表明这种传感器在33.84 mW的功耗下最高温度达到400℃,气敏薄膜上温度分布均匀.详细阐述了传感器的制作过程,过程中总共使用4块掩模版用于光刻工艺.采用溶胶-凝胶法制备了SnO2纳米薄膜作为传感器的气敏元件.对传感器进行了气敏测试,实验结果表明该传感器拥有良好的气敏性能,在300℃下对50×10-6到2 000×10-6氢气的灵敏度逐渐递增,反应时间可控制在10 s以内.     

Sensitivity of mos sensors to hydrogen, hydrogen sulfide, and nitrogen dioxide in different gas atmospheres

The sensitivity of metal-oxide-semiconductor (MOS) sensors of the Pd-Ta₂O₅-SiO₂-Si type towards hydrogen, hydrogen sulfide and nitrogen dioxide is measured in atmospheres of air, nitrogen, and oxygen. It is demonstrated that MOS sensors are efficient in any chemically noncorrosive gas atmosphere, and also in a vacuum. __________ Translated from Izmeritel’naya Tekhnika, No. 5, pp. 68–70, May, 2006.     

光学氢敏感材料的研究进展

论述了光学氢敏感材料的研究现状，介绍了目前研究较多的几种光学氢敏感材料的作用机制，并提出了目前研究中存在的问题以及其今后的研究方向。     

浓差电池法用于铝液脱测氢的研究

利用固相反应法制备了纯度较高、粒度较小的CaZr_0.9In_0.1O_3-α质子导体管, 将其作为电解质组装成浓差电池型氢泵和氢传感器, 并对760℃铝液进行了脱氢过程和氢含量的测定, 研究了氢传感器的探头组装方式、参比气体流量和压力等对电动势曲线和阻抗谱的影响, 以及氢泵在改善物理条件下的脱氢效果。结果表明: 倒置式探头的电动势曲线变化较平滑, 约经13 min达到较稳定状态, 其传感性能优于正置式探头; 参比气体的流量或压力增加时, 电动势也将随之迅速增大, 其原因与电动势受Nernst方程控制有关, 反之则减小。同时, 参比气体流量的增加, 会延长电动势达到平衡所需的时间, 并使电极/电解质界面的电荷转移电阻降低。因此, 为了获得快速、准确的测氢结果, 组装传感器时探头应倒置, 并根据气体管路特点, 确定合适的参比气体流量并对其进行精确控制。此外, 实验证明了浓差电池型氢泵在铝液脱氢方面具有可行性和实用价值, 有深入研究的必要。     

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。     

机械合金化制备镁系储氢材料的研究进展

机械合金化法是新近发展起来的制备镁系储氢材料的较佳工艺.综述了国内外采用该法制备镁系储氢材料的研究进展情况,报道了机械合金化法制备MgH4、Mg2Ni、多元镁基储氢合金、非晶态镁系储氢合金及纳米复合镁系储氢材料的最新研究成果,总结认为,机械合金化可以显著改善镁系储氢材料的动力学性能和电化学性能,提高储氢量.     

高容量储氢材料的研究进展

氢能是一种理想的二次能源.氢能开发和利用需要解决氢的制取、储存和利用3个问题,而氢的规模储运是现阶段氢能应用的瓶颈.氢的储存方法有高压气态储存、低温液态储存和固态储存等3种.固态储氢材料储氢是通过化学反应或物理吸附将氢气储存于固态材料中,其能量密度高且安全性好,被认为是最有发展前景的一种氖气储存方式.由轻元素构成的轻质高容量储氢材料,如硼氢化物、铝氢化物、氨摹氢化物等,理论储氢容量均达到5%(质量分数)以上,这为固态储氢材料与技术的突破带来了希望.新型储氢材料未来研究的重点将集中于高储氢容量、近室温操作、可控吸/放氢、长寿命的轻金属基氢化物材料与体系.     

MXenes在柔性力敏传感器中的应用研究进展

随着可穿戴柔性电子技术的发展, 高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大, 如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来, MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。