氢气传感器及其制备方法和氢气检测方法技术

本发明专利技术涉及一种氢气传感器及其制备方法和氢气检测方法。上述氢气传感器包括：衬底、设置在衬底上的氢敏薄膜和设置在氢敏薄膜远离衬底一侧的气体选择薄膜，气体选择薄膜覆盖氢敏薄膜，气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。上述氢气传感器在氢敏薄膜表面设置一层气体选择薄膜作为保护层，对氢气具有高选择性，能够阻断空气中其他气体如O

【技术实现步骤摘要】
氢气传感器及其制备方法和氢气检测方法
本专利技术涉及传感器
，特别是涉及一种氢气传感器及其制备方法和氢气检测方法。
技术介绍
氢气(H2)在空气中的爆炸体积百分浓度从4％到75％不等，因此，氢气的安全使用对于氢气传感器极为重要。与电子氢气传感器相比，光学氢传感器可以远程读取，以避免在传感位置产生电火花，更适合检测氢气等可燃气体。氢敏材料例如钯(Pd)，在环境条件下具有良好的吸氢性能和可逆的氢化物生成能力，被广泛应用于氢传感领域。基于钯在吸氢过程中的介电常数变化和催化性能的改变，已经制造了多种光学氢传感器。基于钯的薄膜已经被证明可以用于氢传感，例如，通过单层Pd薄膜、Pd/Au合金薄膜或Mg2Ni/Ti/Pd多层膜等来实现氢气传感。然而，钯的氢吸附反应会被空气中的其他气体如O2、CO和NO2所减缓，导致传感器的响应时间出现相应延迟，甚至直接失效，这将对基于光学氢气传感器的实际应用产生不利影响。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种能够提高对氢气的响应速度的氢气传感器及其制备方法。此外，还有必要提供一种氢气检测方法。一种氢气传感器，包括：衬底、设置在所述衬底上的氢敏薄膜和设置在所述氢敏薄膜的远离所述衬底一侧的气体选择薄膜，所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜，所述气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。在其中一个实施例中，所述气体选择薄膜的厚度为5nm～400nm。在其中一个实施例中，所述气体选择薄膜的厚度为16nm～51nm。在其中一个实施例中，所述衬底在围绕所述氢敏薄膜的区域与所述气体选择薄膜相互贴合。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜选自钯纳米薄膜、镁纳米薄膜、钇纳米薄膜及镍镁合金纳米薄膜中的一种，或者至少两种形成的叠层。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜为钯纳米薄膜，所述氢敏薄膜的厚度为5nm～420nm。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜的厚度为14nm～85nm。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜为镁纳米薄膜、钇纳米薄膜或镍镁合金纳米薄膜，所述氢敏薄膜的厚度为5nm～800nm。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜为镁纳米薄膜、钇纳米薄膜及镍镁合金纳米薄膜三种其他膜中的至少一种与钯纳米薄膜层叠设置形成的复合膜；其中，所述其他膜位于所述钯纳米薄膜与所述衬底之间，所述钯纳米薄膜的厚度为5nm～60nm，所述其他膜的总厚度为5nm～800nm。在其中一个实施例中，所述衬底为弹性衬底。在其中一个实施例中，0＜所述衬底的杨氏模量≤60000MPa。在其中一个实施例中，所述衬底的材质选自丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹性体、聚硅氧烷及硅橡胶中的至少一种。一种氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：在衬底上形成氢敏薄膜；在所述氢敏薄膜远离所述衬底的一侧形成气体选择薄膜，使所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜；其中，所述气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。在其中一个实施例中，所述在所述氢敏薄膜远离所述衬底的一侧形成气体选择薄膜，使所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜的步骤包括：在基底上形成水溶性薄膜；在所述水溶性薄膜上形成气体选择薄膜，得到转移膜；将所述转移膜以设有所述气体选择薄膜的一侧覆盖在所述衬底上形成有所述氢敏薄膜的一侧，并使所述气体选择薄膜在围绕所述氢敏薄膜的区域与所述衬底贴合，得到半成品；将所述半成品用水浸泡，使所述水溶性薄膜溶解在水中，然后除去所述基底，制备氢气传感器。在其中一个实施例中，所述水溶性薄膜为聚丙烯酸薄膜、聚乙烯醇薄膜或聚丙烯酰胺薄膜，采用旋涂的方法在所述基底上形成所述水溶性薄膜。在其中一个实施例中，所述氢敏薄膜选自钯纳米薄膜、镁纳米薄膜、钇纳米薄膜及镍镁合金纳米薄膜中的一种，或者至少两种形成的叠层，采用物理气相沉积的方法在所述衬底上形成所述氢敏薄膜。一种氢气检测方法，包括如下步骤：将含氢气的待检测气体通过气体选择薄膜进行选择性过滤，再通过衬底上的氢敏薄膜吸附；其中，所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜，所述气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜；检测所述氢敏薄膜在吸附之前和吸附之后的光学信号；及根据吸附之前和吸附之后的光学信号的变化，得到待检测气体中氢气的浓度。上述氢气传感器包括：衬底、设置在衬底上的氢敏薄膜和设置在氢敏薄膜上的气体选择薄膜。氢敏薄膜与氢气接触时，吸收氢气而体积膨胀，随着吸收的氢气量逐渐增多，氢敏薄膜的表面逐渐从反射表面变成散射表面，反射率(或透过率)强度等光学信号发生明显变化，从而根据吸氢前后反射率(或透过率)强度等光学信号的变化实现对氢气的检测。在氢敏薄膜表面设置一层聚甲基丙烯酸甲酯膜作为气体选择薄膜，对H2进行选择性过滤，能够阻断空气中其他气体如O2、CO和NO2通过，避免氢敏薄膜的氢吸附反应会被空气中的其他气体所减缓，提高氢敏薄膜的响应速度。实验证明，当模拟真实环境的氢气泄露情况时，通入体积百分浓度为4％的H2和体积百分浓度为96％的干燥空气的混合气体时，上述氢气传感器在可见光波段的反射率变化大于20％，相对反射率变化大于220％，加氢响应时间约为6s，比单纯的氢敏薄膜的响应时间要短得多。因此，上述氢气传感器能够提高加氢反应的响应速度。附图说明图1为一实施方式的氢气传感器的原理示意图；图2为氢气传感器的制备过程的一种工艺流程示意图；图3为通入氢气前后，实施例1制备的氢气传感器在可见光波段的反射率变化图；图4为实施例1和对比例1制备的氢气传感器暴露于体积比4:96的氢气与干燥空气氛围中，在600nm波长处的反射率变化曲线图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面将结合具体实施方式对本专利技术进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。一实施方式的氢气传感器，包括：衬底、设置在衬底上的氢敏薄膜和设置在氢敏薄膜远离衬底一侧的气体选择薄膜，气体选择薄膜覆盖氢敏薄膜，气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。气体选择薄膜能够使氢气通过，并阻断其他气体如O2、CO和NO2通过，避免氢敏薄膜的氢吸附反应会被空气中的其他气体所减缓，导致传感器的响应时间出现相应延迟，甚至直接失效。具体地，气体选择薄膜的厚度为5nm～400nm。优选地，气体选择薄膜的厚度为16nm～51nm。在其中一个实施例中，气体选择薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯膜，气体选择薄膜的厚度为5nm～400本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括：衬底、设置在所述衬底上的氢敏薄膜和设置在所述氢敏薄膜的远离所述衬底一侧的气体选择薄膜，所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜，所述气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种氢气传感器，其特征在于，包括：衬底、设置在所述衬底上的氢敏薄膜和设置在所述氢敏薄膜的远离所述衬底一侧的气体选择薄膜，所述气体选择薄膜覆盖所述氢敏薄膜，所述气体选择薄膜包括聚甲基丙烯酸甲酯膜。


2.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述气体选择薄膜的厚度为5nm～400nm，优选地，所述气体选择薄膜的厚度为16nm～51nm。


3.根据权利要求1所述的氢气传感器，其特征在于，所述气体选择薄膜在围绕所述氢敏薄膜的区域与所述衬底相互贴合。


4.根据权利要求1～3任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏薄膜选自钯纳米薄膜、镁纳米薄膜、钇纳米薄膜及镍镁合金纳米薄膜中的一种，或者至少两种形成的叠层。


5.根据权利要求4所述的氢气传感器，其特征在于，所述氢敏薄膜为钯纳米薄膜，所述钯纳米薄膜的厚度为5nm～420nm，优选地，所述钯纳米薄膜的厚度为14nm～85nm；或者，
所述氢敏薄膜为镁纳米薄膜、钇纳米薄膜或镍镁合金纳米薄膜，所述氢敏薄膜的厚度为5nm～800nm；或者，
所述氢敏薄膜为镁纳米薄膜、钇纳米薄膜及镍镁合金纳米薄膜三种其他膜中的至少一种与钯纳米薄膜层叠设置形成的复合膜；其中，所述其他膜位于所述钯纳米薄膜与所述衬底之间，所述钯纳米薄膜的厚度为5nm～60nm，所述其他膜的总厚度为5nm～800nm。


6.根据权利要求1～3及5任一项所述的氢气传感器，其特征在于，所述衬底为弹性衬底，0＜所述衬底的杨氏模量≤60000MPa；及/或，
所述衬底的材质选自丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯类热塑性弹性体、聚酰胺类热塑性弹性体、聚烯烃类热塑性弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：金崇君，姚乾坤，佘晓毅，沈杨，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44