[高分子材料] 一种高灵敏、低成本的可视化光学氢气传感器
一种高灵敏度微型氢气传感器及其制备方法
一种高灵敏度微型氢气传感器及其制备方法《A High Sensitivity Microhydrogen Gas Sensor and Its Preparation Method》AbstractA high sensitivity microhydrogen gas sensor based on a metal oxide semiconductor (MOS) technology was developed using a novel composite protection layer. The microhydrogen gas sensor was prepared by coating a nickel oxide/cerium oxide (NiO/CeO2) film on the surface of an MOS substrate, and then coating a transparent and conductive indium zinc oxide (IZO) film on the NiO/CeO2 film. The prepared microhydrogen gas sensor displayed higher sensitivity to H2 gas than to other gases. The experiment results showed that the sensor had a response of 0.6 at 6 ppm H2 concentration, and had a fast response time of less than 15 s for both H2 elimination and recovery. In addition, the microhydrogen gas sensor exhibited a good linearity in a low H2 concentration range of 0–30 ppm, and had a long-term stability and repeatability. The prepared microhydrogen gas sensor provides a good platform for low H2 concentration gas sensing applications.Keywords: Metal oxide semiconductor; Microhydrogen Gas Sensor; Composite protection layer; Low H2 Concentration1 IntroductionIn recent years, hydrogen gas (H2) has become an important research topic around the world. H2 is a type of clean energy with the advantages of easy storage and high energy density, and has become an important component of the current energy system. However, H2 gas is very flammable and has a wide explosive range of 4–75% (volume fraction). Therefore, in order to ensure the safety of people and property, it is necessary to detect and monitor the H2 gas concentration in various occasions.At present, the methods for detecting H2 gas mainly include infrared spectroscopy, mass spectrometry, and electrochemical methods, etc., which have certain disadvantages such as large volume and complex operation procedures [1]. With the development of micro electro-mechanical systems (MEMS) technology, highly sensitive microsensors have been developed for detection of trace amounts of H2 gas. Due to their small size, portability, and convenience, these microsensors offer considerable advantages compared with traditional detection methods.Metal oxide semiconductor (MOS) gas sensors are widely used for detection of low concentrations of various gases due totheir high sensitivity and selectivity. Currently, there are several types of MOS gas sensors available in the market such as tin oxide (SnO2) and zinc oxide (ZnO). However, these materials have relatively low sensitivity to H2 gas. Therefore, it is necessary to develop a new type of MOS gas sensor with higher sensitivity to H2 gas.In this study, a high sensitivity microhydrogen gas sensor based on MOS technology was developed using a novel composite protection layer. The microhydrogen gas sensor was prepared by coating a nickel oxide/cerium oxide (NiO/CeO2) film on the surface of an MOS substrate, and then coating a transparent and conductive indium zinc oxide (IZO) film on the NiO/CeO2 film. The prepared composite protection layer can effectively protect the surface of the MOS substrate from corrosion, and also enhance the performance of the microhydrogen gas sensor. The experiment results showed that the sensor had a fast response time of less than 15 s for both H2 elimination and recovery, had a good linearity in a low H2 concentration range of 0–30 ppm, and also had a long-term stability and repeatability. The prepared microhydrogen gas sensor provides a good platform for low H2 concentration gas sensing applications.2 Materials and Methods2.1 MaterialsThe raw materials used in this study include a nickel oxide (NiO) powder, a cerium oxide (CeO2) powder, an indium zinc oxide (IZO) powder, and a MOS substrate. The NiO and CeO2 powders were purchased from the Shanghai Hanbang Scientific Instrument Co., Ltd. (Shanghai, China). The IZO powder was purchased from the Changsha Yuxin High-Tech Materials Co., Ltd. (Changsha, China). The MOS substrate was purchased from the Xiamen Longneng Technology Co., Ltd. (Xiamen, China).2.2 MethodsThe microhydrogen gas sensor was prepared according to the following steps. Firstly, the MOS substrate was ultrasonically cleaned in ethanol for 10 min, and then dried in an oven at 80 oC for 30 min. Secondly, the NiO/CeO2 film was prepared by mixing 30 mg of NiO powder and 70 mg of CeO2 powder in 20 mL of ethanol, and then coating the mixture onto the MOS substrate using a spin-coating method at 1500 rpm for 10 s. The coated film was dried in an oven at 100 oC for 30 min. Thirdly, the IZO film was prepared by mixing 10 mg of IZO powder in 20 mL of ethanol, and then coating the mixture onto the NiO/CeO2 film using a spin-coating method at 3000 rpm for 10 s. The coatedfilm was dried in an oven at 200 oC for 30 min. Finally, the prepared microhydrogen gas sensor was tested in a dry environment.3 Results and Discussion3.1 Response Characteristics of the SensorThe response characteristics of the microhydrogen gas sensor were tested by measuring the change in resistance of the sensor when exposed to different gas concentrations. The testing results are shown in Figure 1. It can be seen that the sensor had a response of 0.6 at 6 ppm H2 concentration, and had a fast response time of less than 15 s for both H2 elimination and recovery. In addition, the microhydrogen gas sensor exhibited a good linearity in a low H2 concentration range of 0–30 ppm, and had a long-term stability and repeatability.3.2 Mechanism of Gas SensingThe sensing mechanism of the microhydrogen gas sensor is mainly due to the redox reaction between H2 and the NiO/CeO2 film. When the sensor is exposed to tiny amounts of H2 gas, the oxygen molecules of the NiO/CeO2 film will be displaced and reduced by hydrogen atoms, leading to an increase in the conductivity of the NiO/CeO2 film. The increase in conductivity will cause a decrease in the resistance of the microhydrogengas sensor, which can be used to detect the presence of H2 gas.4 ConclusionIn this study, a high sensitivity microhydrogen gas sensor was prepared by coating a NiO/CeO2 film on the surface of an MOS substrate, and then coating a transparent and conductive IZO film on the NiO/CeO2 film. The prepared microhydrogen gas sensor displayed higher sensitivity to H2 gas than to other gases. The experiment results showed that the sensor had a response of 0.6 at 6 ppm H2 concentration, and had a fast response time of less than 15 s for both H2 elimination and recovery. In addition, the microhydrogen gas sensor exhibited a good linearity in a low H2 concentration range of 0–30 ppm, and had a long-term stability and repeatability. The prepared microhydrogen gas sensor provides a good platform for low H2 concentration gas sensing applications.。
一种柔性超高灵敏度宽量程氢气传感器及其制备方法[发明专利]
![一种柔性超高灵敏度宽量程氢气传感器及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5095942f89eb172dec63b7ad.png)
专利名称：一种柔性超高灵敏度宽量程氢气传感器及其制备方法
专利类型：发明专利
发明人：李爱东,任强,陈佶安,房佳斌,韩民
申请号：CN202011472415.0
申请日：20201214
公开号：CN112505107A
公开日：
20210316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种柔性超高灵敏度宽量程氢气传感器及其制备方法，属于氢气传感器领域，解决了氢气传感器的灵敏度低、检测量程窄、选择性差、工作温度高等缺点。
本发明的传感器包括从上到下依次为导电电极层、敏感层、柔性衬底层；所述敏感层为MO薄膜和Pd纳米粒子，所述Pd纳米粒子覆盖在MO薄膜上；在柔性聚合物基底上利用原子层沉积和团簇束流沉积技术，将传统金属氧化物型氢气传感器和基于量子电导型氢气传感器结合起来，获得了一种柔性超高灵敏度宽量程、可低温工作的氢气传感器。
申请人：南京大学
地址：210023 江苏省南京市栖霞区仙林大道163号
国籍：CN
代理机构：江苏圣典律师事务所
代理人：贺翔
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高灵敏度低工作温度的氢气传感器
梁庆成 赵建勋 高 尚 蒋大勇 侯 建华 秦 杰 明
（ 长 春理 工 大 学 材料 科 学 与 工程 学 院， 吉林 长春 １ ３ （ １ ｌ ｌ １ ２ ）
摘 要： 我们制备 了新型的高灵敏度低 工作温度的氢 气传感 器 ． 该传感 器基 于静 电纺丝法合成的混有碳 纳米管的 Ｐ ｄ — Ｎｉ － ｓ ｎ ｏ 纳米 纤维 对合 成的 材料通过 ＸＲＤ、 Ｓ Ｅ Ｍ、 Ｔ Ｅ Ｍ、 Ｓ Ａ Ｅ Ｄ 进行 了表征 传感 器以 ３× ４ ｍｍ 带有 Ｐ ｔ 电极 的 Ｓ ｉ Ｎｘ — Ｓ ｉ — Ｓ ｉ Ｎｘ片为衬底 ， 敏 感层 的面 积为 １ ． ５ ×２ ． Ｓ ｍｍ 在 室温下（ ２ ５ 。Ｃ） ， 该 传感器对 Ｈ 有着很好的 气敏特性 ， 对Ｉ ｐ ｐ ｍ Ｈ： 其敏感度达到 １ ５ ， 响应和恢复 时间分别为 ６ ｓ 和 ９ ｓ ， 同 时 传 感 器在 ９ （ ） 天 内敏 感 特 性 几 乎 不 变 ， 说 明其 具 有 优 异 的 稳 定 性 ｊ 关键词 ： 气体 传 感 器 ， 半导体 ， 纳 米 纤 维
１ 概 述 ｅ ｅ ｌ ， Ｒ ｇ到 Ｒ ｇ＋ ９ ０ ％ Ｘ（ Ｒ ａ — Ｒ ｇ ）花 费 的时 问被 定 义 为恢 复时 间 。 ３ 实验 结 果 现 在， 化学气体传感 器广 泛应用在气体检测和测量的各种不 同 Ｎ ｉ — Ｓ ｎ ０ 纳 米纤 维 的 描 电 镜 图 圳 ｌ 场合， 【 大 ｊ 此在我们的生活中扮 演着越来越重要的作用 。 迄今为止 ， 在 材料或 传感器 的合成 、 制造 、 检测方 面已经取得 了很 多可喜 的结 果 。 对于金属氧 化物 半导体材料 ， 根据其传感 机理的不 同 ． 可以分为两 种类 型。 一类是 电子导体材料 ， 例如 Ｓ ｎ Ｏ ： ， Ｚ ｎ Ｏ， Ｉ ｎ ： Ｏ 等。 这些材料通 常川 丁监控 还原性气体和烃类 ， 操作温度 从室温到 ４ ５ ０ 。Ｃ 。第二 类 是琏 ｒ离子导体 这 一类常 的材料仃 Ｎ ｂ Ｏ ， Ｇ ａ Ｏ 、 氧化锆等 等 这些材料通 常 ｌ 作 ４ ０ ０至 １ ０ ０ ０ 。Ｃ的高温区。 研究者们制 备 ｒ多 种 纯 的 及 掺 杂 的 具 仃 优 良敏 感 特 性 的 ・ 维 Ｓ ｎ Ｏ 纳 水材 料 ，优 化 其 敏感特性 ， 以文脱 离灵敏度 、 快 响应恢复 、 良好 的选择性 和长期稳 定 性等 、最近 ， 巾丁低功耗和在物联网 中的广泛应用使得 低温度传 感 器的需求（ 特别足室温传感器） 迅速增加。 牲 丁以上原 【 大 １ ， 我们制 备 ｌ 『 基于掺杂 Ｓ ｎ Ｏ 纳米纤 维的 、 可＿ ｌ ｌ 作 住 温下的高灵敏度的氢气传感 器。 敏感材料通过静电纺丝法合成 并混 合适量碳纳米管构成。静电纺丝法 是 ・ 种独特的技术 ， 提供 ｒ 图１ （ ａ ） Ｐ ｄ — Ｎ ｉ 一 ８ ｎ Ｏ 纳米纤维 Ｓ Ｅ Ｍ 图， 插图为 Ｔ Ｅ Ｍ和 Ｓ Ａ Ｅ Ｄ （ ｂ ）Ｐ ｄ — Ｎ ｉ — Ｓ ｎ Ｏ２ 纳米纤维 Ｘ ＲＤ 图 个杆 Ｊ 对简 的卡 ¨ 通用的方法 大规模 制 备一维纳米纤维结构 ， 制 备 纤 维 具行 直径 均 匀 、 长径 比大 、 比表面积大的特点 ， 且利 于 多 组 分 混 Ｉ 叮见制 备的 材 料 是 几 十 微 米 长 、直 径 从 列 １ ６ ０纳 米 的 纳 米 合． 碳纳 米管作 为最重要的 一维敏感材 料之一具有高产量和低价格 纤维。透射电镜看到的两根 纳米纤维 的 部Ｉ 皋 １ 嵌 人住【 皋 】 ｌ （ ａ ） 中 可 纳 米 纤 维 的平 均 直 径 约 为 １ ０ ０纳 米 『 ｛ Ｉ 计然 有 序 的纳 米 粒 子 的特点 迄 今有数万篇 已发＿ 衷的学术论文讨论他们存气体传感器方 以发 现 ， 而 的』 、 训ｆ Ｊ 尤其 是 ， 大 多数 碳 纳 米 管 基传 感 器 在 室 温 下 ｒ作 具 有 叮 组成 纳 米颗粒 的平均 直径约 ６纳米 。ｎ Ｊ 半导体金属氧化物 传感 挖 的传感性能 我们制 备的传感器在室 温下对 Ｈ 具有很高的灵敏 机 制 ｊ 表 面 由 电 子 被 吸 附 的 氧 耗 尽所 形 成 的 李 问 电 茼 的 尺 度 仃 度ｌ 车 『 】 快 的 反 应速 度 ， 同时 具 仃 很 好 的选 择 性 和稳 定 性 。 敏 感 特 性 的 关 如果半导体氰化物的直径接近或小 ２俯 德拜 长度的 ， 氧化物 提 高【 ｌ ｆ 以从 制 备 材料 的 电 学 和结 构 特 性 做 出理 论 上 的 解 释 。 对还原性气体将 示很高的 敏度 在我们的产物巾纳米颗粒直径 ２ 实 验 接 近 ２德 拜 长 度 （ 大约 ３ 纳米） 此， 纳 米纤 维 具 有 高 灵敏 度 。 选 将０ ． ４ ５克 Ｃ １ ２ ・ ２ Ｈ ２ ０、 ０ ． ０ ２克 Ｎ ｉ （ Ｃ Ｈ ３ ｃ ｏ ｏ ） ２ ・ ４ Ｈ ２ Ｏ、 ０ ． ０ ｌ ２克 Ｐ ｄ 一 电子 衍 射 图（ 插 在 冈 １ （ ａ ） ） 显 示 制 备 的 纳 水纤 维 足 多 ｆ ｌ ［ ２ － ｌ ： ｌ 构 纳 米 （ ： ｌ ， ． ５ ． ０克二 甲基 ｆ ｝ １ 酰胺（ ＤＭＦ ） 和５ ． ０克 尤水 乙醇 混 合 ， 磁 力搅 拌 ６ 纤维 的 Ｘ Ｒ Ｄ结 果 如图 １ （ ｈ ） 所， Ｊ ： 、卡 【 Ｉ 应 （ １ １ ０ ） ， 【 ｌ …） 和（ ２ １ １ ） 品格 平 ｈ 将 所得混 合． ｝ ； ： ｆ 液 导人静 电纺 丝设备 的注射 器ｒ ｆ ｌ ，流量设 定 为 的峰 币 ¨ 其 他 小 峰 说明 制 备 的 是 金 红 石 结 构 Ｐ Ｉ Ｉ 和Ｎ ｉ 的 量 极 低 ｌ ＾ ＝ Ｉ １ ． ０ ｍ ｌ ２ １ ／ ， 会属 电极探 人前端毛细管内。接 收距 离以毛细管尖端 与接 此观察小到对应的峰值 碳纳水管 的平均 径约为 １ ０ ０纳米 ， Ｋ度 收 箔 板 的距 离 为准 ， 为２ ０ ｎ ， 然 后施 加 １ ０ ｋ Ｖ的 电 压 接 收 完 毕 几 十微 水， Ｐ 【 】 一 Ｎ ｉ 一 ０ 纳 米纤维构成 ｒ ｛ 然 的网状结构 这些结构 将 产物在 ６ ０ ０ 。 Ｃ下 烧 结 ｌ小 时 ， 再 ３ ０ ０ 。 Ｃ 下退 火 ｌ ０分 钟 有利 ｒ气 体 口 发 收， 从ｌ ｎ 最 终 提 高 丁传 感 器 的 敏度 得 ｌ ｊ Ｐ ｄ — Ｎ ｉ － Ｓ ｎ ｛ ） ， 纳 米纤 维 传感 器对 １ ｐ ｐ ｍ Ｈ 具有 ｊ 善 ｆ 的响应和恢 复Ｈ ｑ ｌ Ｎ，分别是 ６ ｓ 卡 ＂９ 传 感 器 基板 根 据 以下 步骤 制 备 ： （ ａ ） 在Ｓ ｉ Ｎ ｘ — Ｓ ｉ — Ｓ ｉ Ｎ ｘ 衬 底 表 面溅 ｓ ， 如 ２ （ ａ ） 所示 一 射Ｐ Ｒ ２ ０ ０ ０ ） 的 度为金属电极 ； （ １ ） 在 衬底通过光刻 和离子刻蚀 出 钔ｔ 乜做 形 ； （ ｔ ・ ） 化， 气巾 ６ ０ ０ 。（ 煅烧 ４ Ｉ １ 传 感 器 堆 ， 。 —＿ － 板的 Ｋ度 ｆ １ 】 宽 度分 ｝ ｊ Ｉ Ｊ 为３ ｆ ¨４毫 米 ， 和 传感 器有效 面积ｌ 面积涂 层 传感材料） 约为 １ ． ５毫 米 ×２ ． ５毫 米 收０ ． ３ ６ ｇ 碳 纳 水管 研 蟒 ５分 钟 ，Ｊ Ｊ ｌ １ 太 离 子水 和 Ｉ ） ｌ ｌ — Ｎ ｉ — Ｓ ｎ Ｏ 纳 米纤维各 ｌ克混合冉研学 １ 分钟形成浆料 涂敷在传感器衬底的有 效Ｉ 打 Ｉ Ｊ ， 然后 空气 中 ６ ０ 。（ 干燥 ４ ８ ｈ得到传感器。 气敏特性 ｆ １ １ （ ｓ — ｇ智能气体传感 测量分析 系统 、测试环境 是 …Ｉ ｝ Ｇ Ｉ ｝ 一 １ １ ｌ 动 态 控 制 气体 分 系统 （ ２ Ｉ ｔ 京 艾力 特 科 技 有 限 公 司） ．背 景 体是人造 ０ 洲试 超净问 的恒温 ２ ５ 。Ｃ和 ２ ５ ％ （ Ｒ Ｈ ） 的恒 定卡 Ｉ ｒ 湿 度 条 件 进 行 传感器电阻 乖 ¨ 敏度值被 Ｃ Ｇ Ｓ 一 ８获 得 自动 分 析 系 统 。 灵敏 度 图 ２（ ａ ） 传感器对 １ ｐ ｐ ｍＨ 的 响 应 恢 复 特 性 曲线 值（ ） 被指定为 Ｓ： Ｒ ａ／№ ， Ｒ ａ为空气 中的传 感器 电阻 、 为 目标 （ ｂ ） 室 温 下传 感器 对 不 同浓 度 Ｈ 的敏 感 度 曲 线 这＿ Ｆ １ 是得 益 】 纳 米纤 维 的结 构 一 络 纳 米纤 维 的 微 观结 气体 和窄气的混合物 中的传感器 电阻 。 传感器 电阻 混合气体中从 使 表『 ｆ ｆ 『 化学 过 程 转 化 为 电信 的效 牢 （ 转 下页 ） Ｒ ａ 划 Ｒ ａ一９ ０ ％ ×（ Ｒ ａ — Ｒ ｇ ）变化 的时问被定 义为响应 时间 ， 在 空气 和 长 径 寸
高分子材料在电化学传感器中的应用
高分子材料在电化学传感器中的应用高分子材料是很多领域的重要材料，它们具有不同的物理和化学特性，可以在不同的环境中发挥重要的作用。
在电化学传感器中，高分子材料的应用尤为突出，因为它们可以增加传感器的灵敏度和稳定性，同时还能提高传感器的可重复性和可靠性。
在本文中，我们将探讨高分子材料在电化学传感器中的应用，并分析其关键成果和未来研究的方向。
一、高分子电极高分子电极是一种用高分子材料制造的电化学传感器，它们可用于检测氧气、氯离子、酸碱值、生化分子等多种化学反应。
它们特别适用于那些在常规电极下难以检测的反应，例如在生物样品中发生的反应。
高分子材料可用于制造多种形式的电极，例如准稳态电极、薄膜电极、纳米线电极和纳米点阵列电极等等。
其中最成功的应用是基于聚苯胺（PANI）的电极。
聚苯胺经过酸或氧化处理后，可以形成具有导电性和半导体性质的羟基苯环和苯肉桂酸环，这种结构可在电场作用下进行高效电荷传递，同时还能兼顾膜的物理保护作用。
这种高分子电极已广泛应用于生化传感器和生物传感器，且已在实验室和工业应用中取得了良好的表现。
二、高分子膜高分子膜是电化学传感器中的另一个重要组成部分。
它们用于将感兴趣的化学分子与电极界面隔离，从而减少干扰信号的干扰。
高分子膜的选择需要考虑到多种因素，例如其化学反应性、导电性和膜厚。
一些高分子膜还包括附着基团，使其与感兴趣的化学分子之间形成复杂的相互作用。
一些高分子膜成功用于生物传感器和化学传感器，例如电化学生物传感器中检测各种细胞和蛋白质、检测抗生素和农药残留的电化学化学传感器。
其中生物传感器的膜以硅胶膜、聚酰胺薄膜和聚丙烯酸膜等高分子材料为主要原料。
在化学传感器中，使用高分子膜以降低感兴趣的化学物质和其他成分之间的干扰，从而提高传感器的灵敏度和选择性。
三、高分子复合材料高分子复合材料是电化学传感器的另一种应用，它们是在高分子材料中加入其他材料（例如金属粒子、碳纳米管或二氧化硅纳米颗粒）而形成的。
荷兰研发出可在室温下使用的氢气传感器
荷兰研发出可在室温下使用的氢气传感器
氢气是取代石化燃料的潜力替代能源之一，然而具备高度易燃性，因此如果要发展氢能源经济，能侦测氢气的传感器不可或缺。
然而到目前为止，氢气传感器的最大挑战在于需要较高的温度才能起作用，而且敏感度较低、反应时间也较缓慢。
而来自荷兰的台夫特理工大学(Delft University of Technology，TU
Delft)研究人员宣称，他们已经克服上述挑战，开发了一种以三氧化钨(ungsten
trioxide，WO3)薄层制作的新型传感器，结合了高电阻以及利用铂金(platinum)催化剂感测氢气的能力，可以在接近室温下感测到1pppm的氢气浓度，而且当氢气浓度超过100pppm 时，反应时间不到1秒。
据了解，研究人员首先是利用名为脉冲雷射沉积(pulsed laser deposition)的方法制作三氧化钨薄层，如此能在一片基板上一层层单独沉积该种材料层。
利用这种方法，研究人员制作出厚度仅9奈米的三氧化钨薄层。
然后研究人员将铂金液滴(droplet)放置在三氧化钨薄层的最上方;铂金具备一种众所周知的特性，能扮演将氢分子分离为单个氢原子的催化剂，而研究人员观察到，那些原子能进入三氧化钨的晶格，并将之缓慢由绝缘体转变为金属。
研究人员的实验将三氧化钨薄膜暴露于不同的环境条件中，包括正常空气，混合了氢气的环境，还有真空;而实验结果可以看出，其电阻与样本颜色(光学影像显示)会在暴露于氢气时改变，但在正常空气中又会恢复初始状态。
TU Delft开发的新型氢气传感器与其他同类传感器最大的不同，就在于能在室温下使用。
因为该种薄膜能与目前的半导体技术兼容，新型氢气传感器具备大量生产的潜力，研究团队正准备为此技术申请专利。
新型氢气传感器的研发与应用
新型氢气传感器的研发与应用随着科技的不断发展，氢能源成为了一个备受关注的话题。
而氢气传感器，则是氢能源技术中一个至关重要的环节。
氢气传感器可以用于检测氢气分子的浓度和温度，从而保障氢能源的安全使用，并推动氢能源的更广泛应用。
在这篇文章中，我们将介绍新型氢气传感器的研发与应用，以及它对氢能源的发展所起到的重要作用。
一、氢气传感器的分类按原理分类，氢气传感器可以分为电化学型、铂电阻型、热导型、光纤型、半导体型等多种类型。
其中，电化学型氢气传感器具有灵敏度高、响应时间短、可靠性好等特点，在氢能源领域得到了广泛的应用。
铂电阻型氢气传感器对氢气的检测对温度非常敏感，可以作为测量氢气温度的重要手段。
热导型氢气传感器则通过测量氢气的热导率来检测氢气的浓度和温度。
光纤型氢气传感器则是通过光纤传输的原理来测量氢气分子的吸收光谱，从而实现对氢气分子的浓度测量。
半导体型氢气传感器则是利用了氢气对半导体电阻变化的影响来检测氢气浓度。
二、新型氢气传感器的研发在传统氢气传感器的基础上，近年来，新型氢气传感器也开始得到了研究人员的广泛关注。
新型氢气传感器具有响应速度更快、测量范围更广等优点。
例如，基于纳米材料的氢气传感器通过利用纳米材料的特殊性质来增强传感器的灵敏度和稳定性。
石墨烯氢气传感器则可以在室温下实现高灵敏度氢气检测。
此外，还有一些利用了电化学反应、吸附、表面增强拉曼散射等技术的生物氢气传感器和纳米氢气传感器也在国内外不断涌现。
三、新型氢气传感器的应用氢气传感器是氢能源领域中不可或缺的组成部分。
氢气传感器广泛应用于氢燃料电池车的诊断和检测、氢气安全储存与运输、氢气制备和质量控制等方面。
例如，在氢能源汽车的诊断和检测中，氢气传感器可以对氢气的浓度、温度、湿度等参数进行实时监测，以防止氢气泄漏、爆炸等危险情况的发生。
在氢气安全储存和运输中，氢气传感器可以检测氢气储存罐的内部氢气浓度和温度，及时掌握氢气储存罐内部的状况，保障氢气的安全使用。
微型钯-银氢气传感器的制备与应用研究的开题报告
微型钯-银氢气传感器的制备与应用研究的开题报告一、研究背景氢气是一种高效、清洁、可再生能源，在未来能源发展中拥有广阔前景。
而氢气泄漏事件也是一种严重的安全隐患，需要通过高灵敏、高精度的氢气传感器来实现氢气泄漏的及时检测和报警。
目前常规的氢气传感器多采用贵金属铂、钯等材料为电极和催化剂，价格昂贵，制备复杂，且对氧气和水蒸气等干扰物敏感度高，限制了其应用范围。
微型氢气传感器是近年来的新兴研究方向，采用微纳加工技术制备，具有结构精细、响应快速、灵敏度高等优势。
本研究将以微纳加工技术为基础，以钯-银合金为材料，设计制备一种高灵敏、高稳定性的微型钯-银氢气传感器，以解决当前传感器价格昂贵、制备复杂、干扰项多等问题。
二、研究目的与意义本研究旨在制备一种基于微纳加工技术和钯-银合金材料的高灵敏、高稳定性的微型氢气传感器。
主要研究内容包括：钯-银合金薄膜制备、微纳加工工艺优化、传感器结构设计、氢气检测性能测试等方面。
通过该研究，将满足当前氢气传感器制备成本高、干扰项多等问题，为氢能产业的发展提供技术支持。
三、研究内容与方法本研究主要包括以下几个方面的内容：1. 钯-银合金薄膜的制备和表征。
利用磁控溅射等方法在衬底上制备钯-银合金薄膜，并通过X射线衍射、扫描电子显微镜等手段对其物理化学性质进行表征。
2. 微纳加工工艺的优化。
基于微纳加工技术，优化氢气传感器制备的工艺流程和装备条件，以提高传感器的灵敏度和稳定性。
3. 传感器结构设计与制备。
基于钯-银合金薄膜的特殊性质，设计并制备微型钯-银氢气传感器的结构，包括电极、催化剂等。
4. 氢气检测性能测试。
通过气敏特性测试仪等装置对传感器的灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等性能进行评价和测试。
四、研究计划及进度安排1. 钯-银合金薄膜的制备和表征（预计时间：1个月）2. 微纳加工工艺的优化（预计时间：2个月）3. 传感器结构设计与制备（预计时间：3个月）4. 氢气检测性能测试（预计时间：2个月）5. 数据处理、分析和论文撰写（预计时间：2个月）五、研究预期成果本研究预期可以制备出一种高灵敏、高稳定性的微型钯-银氢气传感器，具有以下特点：1. 制备简单，成本低廉；2. 对氢气的灵敏度高，对干扰物的选择性强；3. 设计和制备工艺的可扩展性好，适用于大规模商业化生产；4. 在氢气泄漏检测、氢能安全领域等具有广泛的应用前景。
电子科技大学开发出了一款基于有机纳米纤维的超灵敏氢气传感器
电子科技大学开发出了一款基于有机纳米纤维的超灵敏氢气传感器据麦姆斯咨询报道，电子科技大学的研究人员开发出一款基于有机纳米纤维的超灵敏氢气传感器。
氢气极其易燃且不会产生任何污染物。
因此，该气体可被用于生成清洁能源，并在航天航空和冶金等行业中具有广泛的应用。
然而，氢气也具有很高的安全风险，因为它没有特定的气味或颜色，并且在大气中浓度高于4%时就有爆炸风险。
因此，能够检测低浓度氢气的氢气传感器有其用武之地。
现在，电子科技大学的一组研究人员开发出一款超灵敏且灵活的氢气传感器。
该团队利用了由钯纳米粒子制成的有机纳米纤维。
氢气传感器示意图
为了将这些纳米粒子沉积在有机纳米纤维材料上，该团队使用了直流磁控溅镀薄膜沉积制造工艺，阴极后面的磁铁将电子捕获在带负电的靶材上，以获得更快的沉积速率。
该团队将钯纳米粒子和有机纳米纤维组成的纳米结构切割成2cm ×1cm的尺寸，并将其转印到柔性印刷电路板上。
银浆被用作电极施加在合成纳米结构的两侧。
制备氢气传感器
该团队确定该团队确定了氢气浓度为25 ppm（气体体积百分比含量的百万分之一）时传感器的温度依赖性。
该团队发现传感器的响应会随着温度的升高而增加。
与传统电氢气传感器相比，新型传感器可以在更广泛的温度范围内更有效地检测浓度低至5ppm的氢气。
这款传感器还具备出色的化学吸收性，随着温度的升高，其响应速度也随之增加。
团队还发现传感器在低氢气浓度下具有超耐久性。
传感器对低浓度的氢气也保持高敏感性，即使在3个测量循环后也具有10.63%的最大响应。
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未来新能源发展的主要方向是开发可被经济、高效和无污染利用的能源。
氢作为可从多种途径获取的可循环利用的理想能源载体，将带来新的能源变革。
在“氢能经济”的各个环节，包括氢气的制备、储存、运输和使用等方面，都面临着安全、成本和效率等方面的挑战。
作为一种能源载体，氢气是一种在常温常压下无色无味且高度易燃（燃烧体积分数：4-75%，最低点燃能： mJ）的气体，即使有微小的火花也会导致爆炸。
因此，氢气传感器无疑将在每一个环节的安全方面扮演着至关重要的角色。
相比于传统的电学氢气传感器，基于远程光学读出的氢气传感器能够消除测量点产生电火花的隐患，非常适合监测氢气这类易燃易爆气体。
近日，中山大学材料科学与工程学院、光电材料与技术国家重点实验室的金崇君教授研究组在光学氢气传感器研究方面取得重要进展，发展了一种高灵敏、低成本的可视化光学氢气传感器，相关成果发表在AHAHAGAHAGAGGAGAGGAFFFFAFAF
Nature集团出版的国际著名学术刊物《光：科学与应用》（Light: Science ＆ Applications 2019, 8, 4，IF=上。
由于能够常温常压下吸收大量氢气从而产生介电常数的变化和体积膨胀，钯被广泛用作光学氢气传感器的敏感材料。
传统的光学氢气传感器采用刚性衬底，限制了钯在吸氢后的体积膨胀，使这项效应无法被充分的应用到氢气传感中。
最近，金崇君教授研究组和香港中文大学王建方教授研究组合作，由金崇君教授的博士生佘晓毅和研究员沈杨发展了一种新型的设计思想，提出利用弹性衬底的柔软性充分释放钯在吸收氢气后的体积膨胀效应，使其在弹性衬底上形成褶皱，如图1所示，弹性衬底上的钯膜在通氢气后由平整变粗糙。
在１％的氢气浓度下，可实现波长无关的全可见近红外光谱高光学反差（倍）。
之前报告过的同类器件最好结果只能在很窄的数个纳米波段实现最高倍的光学反差。
研究成果进一步阐明了产生这种高光学反差的原因，是由于通氢气后钯膜由镜面反射变成漫反射引起的。
这种镜面反射面和漫反射面的切换，才能引起与波长无关的全光谱高光学反差，因此可以直接用裸眼观察到这种明显示警信号（如图1所示）。
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（图１基于柔性衬底的钯膜氢气传感原理图和可视化
氢气传感器演示）
这表明基于柔性衬底的钯膜氢气传感器是一个非常有潜力的光学氢气报警装置，能够低成本、快速地应用于不同环境下的远程无电接触氢气泄漏监控。
这种“镜面反射—漫反射转化”的检测原理，也为其他气体检测的研究提供了全新的思路。
该研究成果以题为“Pd films on soft substrates: a visual, high-contrast and low-cost optical hy drogen sensor”的论文在线发表在Light: Science ＆ Applications 2019, 8,4, 佘晓毅博士和沈杨研究员为共同第一作者，金崇君和王建方教授为通讯作者。
该研究已申请PCT专利（CN 107941787 A, ），具有自主知识产权。
此前，金崇君教授研究组还发展了一种基于柔性衬底的表面等离激元氢气传感器。
该传感器由PDMS/钯纳米凹槽阵列构成。
PDMS衬底的柔性使得氢化过程钯纳米凹槽发生几何重构（如图2所示），把表面等离激元谐振波长的移动放大了两倍，氢气体积分数的检测极限可低至%；同时柔性衬底和钯纳米凹槽之间的
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“软接触”界面，减少了钯膜和衬底之间的界面应力，大大增强了氢气传感的重复性（如图2所示）。
（图2基于柔性衬底的钯纳米凹槽阵列氢气传感原理图
和氢气传感性能表征）
该研究成果以题为“Mechanically Reconfigurable Pd Nanogroove Array: An Ultrasensitive Optical Hydrogen Detector”的论文在线发表在ACS Photonics 2018, 5, 1334−1342, 沈杨研究员和佘晓毅博士为共同第一作者，金崇君教授为通讯作者。
该研究已申请PCT专利（CN 107941755 A, ），具有自主知识产权。
以上研究得到国家自然科学基金委、广东省自然科学基金、广州市科技计划和光电材料与技术国家重点实验室等机构的资助。
论文链接：
来源：中山大学
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