一种氢气敏感膜、传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氢气敏感膜、传感器及制备方法，氢气敏感膜是采用气凝胶与催化剂的复合结构；气凝胶用于吸附氢气、且与氢气发生氢化反应；催化剂采用纳米贵金属催化剂，分布于气凝胶的孔隙中，用于催化氢化反应。氢气敏感膜的制备方法，是采用物理复合的方法将催化剂颗粒均匀掺杂于金属氧化物气凝胶中。氢气传感器，包括绝缘衬底层、氢气敏感膜层和电极层；氢气敏感膜采用上述的一种氢气敏感膜、或采用上述的一种氢气敏感膜的制备方法制备的氢气敏感膜。本发明专利技术提供了一种具有更好的氢敏特性的氢气敏感膜及传感器。氢气敏感膜及传感器。氢气敏感膜及传感器。

【技术实现步骤摘要】
一种氢气敏感膜、传感器及制备方法


[0001]本专利技术涉及氢气探测
，具体涉及一种氢气敏感膜、传感器及制备方法。

技术介绍

[0002]氢气作为重要的还原气体和清洁能源正被广泛应用在化工，航空，医疗，石化，交通和能源等各个领域。作为清洁能源，氢气由于单位体积燃烧释放能量高而在燃料电池和发电技术上具有重大的应用价值。然而，当在空气中的含量高于可燃下限时(4％)，氢气极易燃烧和爆炸。因此，通常需要使用氢气传感器来检测氢气是否泄漏。
[0003]氢气传感器的关键在于氢敏材料的选择和制备。根据敏感材料的不同，现有的氢气传感器主要分为金属氧化物氢气传感器、金属氧化物半导体(MOS)氢气传感器，光纤氢气传感器和钯(Pd)阻氢气传感器等多种类式。但是，现有的多数金属氧化物氢气传感器因仅能检测不小于2％的H2浓度，因此不能用作氢气(H2)泄漏的报警装置。
[0004]因此，开发一种具有较高氢敏特性的材料及传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]基于上述技术背景，本专利技术提供了一种具有更好的氢敏特性的氢气敏感膜及传感器。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]一种氢气敏感膜，采用气凝胶与催化剂的复合结构；所述气凝胶用于吸附氢气、且与氢气发生氢化反应；所述催化剂采用纳米贵金属催化剂，分布于气凝胶的孔隙中，用于催化氢化反应。催化剂以颗粒的形式附着于气凝胶内部孔隙中。
[0008]本专利技术提供的氢气敏感膜，气凝胶中含有催化剂颗粒(催化剂以颗粒的形式附着于气凝胶内部孔隙中，形成复合结构)，在催化剂的作用下，氢气与超大比表面积的气凝胶接触后迅速进行氢化作用，并使气凝胶的阻值迅速发生突变，利于提高其检测限度、缩短响应时间。
[0009]此外，本专利技术的气凝胶是具有氢敏特性的气凝胶(如，当气凝胶吸收氢气之后其性质(例如，电阻等等)发生变化，而释放氢气之后性质恢复)，优选具有高密度孔径、超大比表面积的气凝胶。如采用多孔网络结构的气凝胶，其比表面积可超过1500m2/g，密度可低于30kg/m3，孔隙率可大于99％，气凝胶特殊的纳米结构使其具有独特的性能。
[0010]进一步优选，所述气凝胶的孔径为50nm
‑
100nm，所述催化剂的粒径为5nm
‑
20nm。
[0011]进一步优选，所述气凝胶的厚度为500nm
‑
5mm。
[0012]进一步优选，所述气凝胶与催化剂的质量比为50:1
‑
300:1。
[0013]进一步优选，所述气凝胶的种类包括但不限于二氧化钛(TiO2)气凝胶、二氧化锡(SnO2)气凝胶、氧化镉(CdO)气凝胶、二氧化铈(CeO2)气凝胶、三氧化二铁(Fe2O3)气凝胶、氧化镍(NiO)气凝胶、氧化锌(ZnO)气凝胶、氧化锢(In2O3)气凝胶或者氧化嫁(Ga
2 O3)气凝胶等。
[0014]进一步优选，所述催化剂包括但不限于钯或铂。
[0015]一种氢气敏感膜的制备方法，用于制备上述一种氢气敏感膜，采用物理复合的方法将催化剂颗粒均匀掺杂于金属氧化物气凝胶中。
[0016]进一步优选，包括以下步骤：将气凝胶与催化剂粉末以质量比为50:1
‑
300:1的比例配制后进行研磨；研磨后，加入水并研磨制成浆料；其中，滴入的去离子水与气凝胶和催化剂粉末总质量比为5:1
‑
15:1。
[0017]一种氢气传感器，包括绝缘衬底层、氢气敏感膜层和电极层；所述氢气敏感膜采用上述的一种氢气敏感膜、或采用上述的一种氢气敏感膜的制备方法制备的氢气敏感膜。
[0018]即本专利技术提供的氢气传感器结构为：
[0019]衬底层；
[0020]与氢气接触能发生氢化反应的气凝胶涂层作为氢敏感层(如TiO2金属氧化物)；
[0021]与气凝胶涂层复合的氢化反应催化剂颗粒(如Pd等)；
[0022]形成在气凝胶顶部的电极层。
[0023]其中，衬底层为电绝缘层，衬底层可以是玻璃等无机电绝缘体，也可以是聚酯类有机电绝缘体；衬底层的形状可以根据需求设计为平板状、棒状，球状等。
[0024]进一步优选，所述电极层的厚度为20nm
‑
200nm。
[0025]一种氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0026]步骤1：制备气凝胶、催化剂和水的复合浆料；
[0027]步骤2：将复合浆料涂敷在绝缘衬底层上表面上，烘干得到含催化剂的气凝胶涂层；
[0028]步骤3：重复步骤2，得到所需厚度的气凝胶涂层；
[0029]步骤4：在气凝胶涂层表层制备电极层。
[0030]采用超临界干燥法或者其他适合的方法制备出金属氧化物气凝胶，在制备金属氧化物气凝胶或其粉体的过程中采用物理复合的方法将催化剂颗粒均匀掺杂于金属氧化物气凝胶中，然后在绝缘衬底层上经滴涂、旋涂或刮涂的方法形成前述的气凝胶涂层。
[0031]本专利技术具有如下的优点和有益效果：
[0032]气凝胶是一种由多孔纳米颗粒组成三维网络骨架而形成的一种低密度、高比表面积、高孔隙率的非晶固态纳米材料，三维骨架网络间由空气填充，孔隙可从几纳米到几百纳米可调，其结构示意图如图6所示。气凝胶特殊的多孔网络结构使其比表面积可超过1500m2/g，密度可低于30kg/m3，孔隙率可大于99％。气凝胶特殊的纳米结构使其具有独特的性能。TiO2气凝胶具有超大的比表面积和较强的吸附能力，因而表现出极高的氢敏感性。TiO2气凝胶在遇到氢气后，其阻值发生明显的下降，在脱离该气体后，其阻值又能恢复到正常态。TiO2气凝胶表面对解离的H原子具有强烈的化学吸附作用，并使部分电荷从H转移到TiO2的导带，这就在TiO2气凝胶表面产生了一个电子的积聚层，导致气凝胶电导的增加。当把H2移除时，转移的电子又回到H原子上，TiO2气凝胶重新获得其原始电阻，导致TiO2气凝胶对氢气具有灵敏的电阻响应。
[0033]本专利技术提供的氢气敏感膜及氢气传感器，采用气凝胶/贵金属纳米颗粒的复合结构作为氢敏感层，不仅充分利用了金属氧化物的氢敏特性，更明显的是利用了气凝胶材料高密度孔隙、超大比表面积的特点，具有纳米尺寸的贵金属颗粒(如Pb)均匀深入的分散在
二氧化钛气凝胶孔隙内的各处室壁上，氢气能与气凝胶内部孔隙各处实现全方位充分接触，使更多的氢气吸附到二氧化钛气凝胶表面而被Pd催化氧化，二氧化钛气凝胶表面化学吸附离解氢后，被吸附氢的一部分电子转移到二氧化钛的导带上，并在二氧化钛气凝胶表面富集，从而增强了气凝胶的导电性。当环境中氢气除去后，电子重新回到化学吸附的氢上，氢气解吸附，二氧化钛气凝胶恢复到原来的电阻值。由于二氧化钛气凝胶的高密度孔隙、超大比表面积特点，在孔隙内部各处高密度分布的钯催化颗粒作用下实现了氢传感器氢敏特性的极大提升。
附图说明
[0034]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气敏感膜，其特征在于，采用气凝胶与催化剂的复合结构；所述气凝胶用于吸附氢气、且与氢气发生氢化反应；所述催化剂采用纳米贵金属催化剂，分布于气凝胶的孔隙中，用于催化氢化反应。2.根据权利要求1所述的一种氢气敏感膜，其特征在于，所述气凝胶的孔径为50nm
‑
100nm，所述催化剂的粒径为5nm
‑
20nm。3.根据权利要求1所述的一种氢气敏感膜，其特征在于，所述气凝胶的厚度为500nm
‑
5mm。4.根据权利要求1所述的一种氢气敏感膜，其特征在于，所述气凝胶与催化剂的质量比为50:1
‑
300:1。5.根据权利要求1所述的一种氢气敏感膜，其特征在于，所述气凝胶的种类包括二氧化钛气凝胶、二氧化锡气凝胶、氧化镉气凝胶、二氧化铈气凝胶、三氧化二铁气凝胶、氧化镍气凝胶、氧化锌气凝胶、氧化锢气凝胶或者氧化嫁气凝胶。6.根据权利要求1所述的一种氢气敏感膜，其特征在于，所述催化剂包括钯或铂。7.一种氢气敏感膜的制备方法，其特征在于，采用物理复...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏雄邦，廖家轩，陈为，邱宇洪，龙鑫，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院衢州，
类型：发明
国别省市：