一种钯基氢敏材料的可控制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钯基氢敏材料的可控制备方法，包括如下步骤：（1）合成石墨烯薄膜：通过化学气相沉积法在基底上生长连续的石墨烯薄膜；（2）配制化学镀液：将氯化钯和浓盐酸溶于去离子水中，超声震荡后获得氯化钯盐酸溶液，即为化学镀液；（3）自还原沉积法在石墨烯薄膜上负载Pd纳米颗粒：室温下，将生长在基底上的石墨烯薄膜浸没于化学镀液中，浸渍10～60min后，再浸入去离子水中去除残留化学镀液，获得所述钯基氢敏材料。本发明专利技术方法通过调节自还原沉积的时间，以灵活调控钯基氢敏材料中的Pd纳米颗粒的尺寸大小，从而满足不同工况下氢气传感器的实际需求。感器的实际需求。感器的实际需求。

【技术实现步骤摘要】
一种钯基氢敏材料的可控制备方法


[0001]本专利技术属于氢气传感器
，具体地，本专利技术涉及一种钯基氢敏材料的可控制备方法。

技术介绍

[0002]氢能具有分布广泛、清洁可再生、能量密度大和应用面广等优点，是一种新兴零碳能源，也被认为是替代化石燃料的理想能源。然而，氢气是一种无色无味的可燃性气体，具有较低的着火能，遇到明火或电流，极易发生爆炸。同时，氢气分子体积与密度较小，在生产、储存和运输过程中容易发生泄漏，存在严重的安全隐患。1979年的三里岛事故和2011年的福岛事故均造成了严重的事故后果。因此，为了保障氢能源的安全生产、运输和使用，迫切需要高性能的氢气传感器，以实现对氢气的实时检测与动态监测。
[0003]根据工作原理的不同，常用的氢气传感器主要分为电化学传感器、催化燃烧式传感器、半导体传感器和光纤传感器。传统的基于电化学、电学特性工作的氢气传感器在使用时存在潜在放电危险，可能产生电火花，不适用于易燃易爆的氢气检测场所；催化燃烧式传感器和半导体传感器在用于氢气浓度检测时，均存在引燃爆炸的风险；而光纤传感器是通过光信号进行检测，具有体积小、本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高等优点，因此成为最具应用价值的一类传感器。根据传感机理的不同，光纤氢气传感器可以分为消逝场型氢气传感器、微透镜型氢气传感器、干涉型氢气传感器和光纤光栅型氢气传感器。其中，光纤光栅氢气传感器由于其波长倍增能力强、灵敏度高、响应时间快等优点而成为最有前途的光纤氢气传感器，且该类传感器易于进行温度补偿，从而可以提高测量的精确度和稳定性。因此，光纤光栅氢气传感器已经成为氢检测技术的研究热点。
[0004]金属钯（Pd）在吸氢、释氢的过程中，晶格常数会发生变化，引起其折射率和体积变化。正是由于Pd对氢气的特异选择性和可逆吸附性，被广泛用于光纤光栅氢气传感器中的氢敏材料。然而，Pd在吸氢后形成Pd的氢化物存在α相和β相，α相和β相存在较大的晶格膨胀系数差异，会导致光纤光栅传感器常用的Pd膜氢敏材料在多次吸氢、释氢循环后出现开裂、脱落等现象，降低传感器的使用寿命。为了解决纯Pd材料的相变问题，可在纯Pd中掺入银、镱、镍、金等金属形成Pd合金，但是Pd合金膜氢敏材料具有氢渗透性能不稳定、易毒化等问题。同时，由于氢气在Pd层中扩散作用的限制，传感器的灵敏度和响应速度难以得到综合改善。相关技术中，可通过减少Pd膜氢敏材料的厚度来提高传感器的响应速度，虽然可以降低Pd膜厚度，进而缩短氢原子的扩散距离，降低Pd的吸氢、渗氢反应时间，从而提高响应速度，但是也减少了Pd氢敏材料的质量，减弱了光信号调制能力，从而导致导致传感器的灵敏度降低。因此，研发能克服脱落、与基体作用力强的氢敏材料，制备稳定性好、灵敏度高、响应速度快的高性能光纤光栅氢气传感器具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术实
施例提出一种钯基氢敏材料的可控制备方法。
[0006]本专利技术实施例一方面提出一种钯基氢敏材料的可控制备方法，包括如下步骤：（1）合成石墨烯薄膜：通过化学气相沉积法在基底上生长连续的石墨烯薄膜；（2）配制化学镀液：将氯化钯和浓盐酸溶于去离子水中，超声震荡后获得氯化钯盐酸溶液，即为化学镀液；（3）自还原沉积法在石墨烯薄膜上负载Pd纳米颗粒：室温下，将生长在基底上的石墨烯薄膜浸没于化学镀液中，浸渍10～60min后，再浸入去离子水中去除残留化学镀液，获得所述钯基氢敏材料。
[0007]本专利技术实施例的方法可以灵活简便的调控钯基氢敏材料中的Pd纳米颗粒的尺寸大小，仅需通过调节自还原沉积的时间（浸渍时间），就可以控制Pd纳米颗粒的尺寸，应用范围更广，适应性更强；且本专利技术实施例采用自还原沉积法制备Pd纳米颗粒，可在无额外还原剂、高温情况下将金属Pd前驱体盐自还原成金属Pd纳米颗粒，使其均匀牢固的负载于石墨烯薄膜上，增强与石墨烯薄膜之间的作用力，从而可以克服Pd在吸氢、释氢过程中的易脱落问题；且整个制备过程绿色无污染、成本低廉。
[0008]在本专利技术的一些实施例中，步骤（3）中，所述浸渍的时间优选为20～30min。
[0009]在本专利技术的一些实施例中，步骤（3）中，所述钯基氢敏材料中的Pd纳米颗粒的直径为1～40nm，优选为6～17nm。
[0010]在本专利技术的一些实施例中，步骤（1）中，所述石墨烯薄膜的厚度为2～9个石墨烯原子层。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，步骤（2）中，所述氯化钯盐酸溶液中，氯化钯和盐酸的摩尔浓度比为0.02:1～0.03:1；所述超声震荡的频率为20000～25000Hz；时间为10～15min。
[0012]本专利技术另一方面还提出一种钯基氢敏材料，所述钯基氢敏材料由上述制备方法制备得到。该钯基氢敏材料中金属Pd纳米颗粒与基体石墨烯薄膜之间的作用力更强，可以克服Pd在吸氢、释氢过程中的易脱落问题；且该钯基氢敏材料中的金属Pd为纳米颗粒状，相比金属Pd薄膜，Pd纳米颗粒具有更大的比表面积，用于氢气传感器时，可以提高气体分子与Pd的接触面积，缩短氢气吸附
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渗透
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扩散的时间，从而提高氢气传感器的响应速度。
[0013]本专利技术又一方面还提出一种光纤光栅氢气传感器，包括光纤包层、光纤纤芯、光纤布拉格光栅栅区、钯基氢敏材料和碳纤维预浸料封装膜；其中，所述钯基氢敏材料由上述制备方法制备得到。
[0014]本专利技术实施例中的光纤光栅氢气传感器寿命高、稳定性好，能够快速、连续地监测氢气，表现出良好的灵敏性和响应性。
[0015]本专利技术还提出了上述光纤光栅氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：S1，采用氢氟酸蚀刻光纤布拉格光栅表面的光纤包层，得到预处理后的光纤布拉格光栅；S2，刻蚀钯基氢敏材料的基底；S3，将刻蚀掉基底的钯基氢敏材料转移到预处理后的光纤布拉格光栅上，使得钯基氢敏材料中的石墨烯薄膜与光纤布拉格光栅栅区相对应；S4，对制备好的光纤布拉格光栅采用碳纤维预浸料进行封装保护，制得所述光纤
光栅氢气传感器。
[0016]本专利技术实施例光纤光栅氢气传感器的制备方法中采用钯基氢敏材料作为氢敏材料，并通过刻蚀钯基氢敏材料的基底，从而直接将负载Pd纳米颗粒的石墨烯薄膜无损转移到光纤布拉格光栅上，整个光纤光栅氢气传感器的制备过程几乎不会对光纤光栅造成损害，从而使得传感器寿命高、稳定性好。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，步骤S1中，所述氢氟酸的浓度为35wt%～40wt%。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，步骤S2中，当所述钯基氢敏材料的基底为铜基底时；所述刻蚀过程中采用的刻蚀液为三氯化铁盐酸溶液，其中，三氯化铁和盐酸的摩尔浓度比为1:1～1.5:1；所述三氯化铁盐酸溶液由包括如下步骤的方法制备得到：将三氯化铁和浓盐酸溶于去离子水中，于45～50℃加热搅拌10～15min，获得三氯化铁盐酸溶液；所述刻蚀的温度为45～50℃，刻蚀时间为30～40min。
[0019]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）合成石墨烯薄膜：通过化学气相沉积法在基底上生长连续的石墨烯薄膜；（2）配制化学镀液：将氯化钯和浓盐酸溶于去离子水中，超声震荡后获得氯化钯盐酸溶液，即为化学镀液；（3）自还原沉积法在石墨烯薄膜上负载Pd纳米颗粒：室温下，将生长在基底上的石墨烯薄膜浸没于化学镀液中，浸渍10～60min后，再浸入去离子水中去除残留化学镀液，获得所述钯基氢敏材料。2.根据权利要求1所述的钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述浸渍的时间为20～30min。3.根据权利要求1所述的钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述钯基氢敏材料中的Pd纳米颗粒的直径为1～40nm。4.根据权利要求3所述的钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，所述钯基氢敏材料中的Pd纳米颗粒的直径为6～17nm。5.根据权利要求1所述的钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述石墨烯薄膜的厚度为2～9个石墨烯原子层。6.根据权利要求1所述的钯基氢敏材料的可控制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述氯化钯盐酸溶液中，氯化钯和盐酸的摩尔浓度比为0.02:1～0.03:1；所述超声震荡的频率为20000～25000Hz；时间为10～15min。7.一种钯基氢敏材料，其特征在于，所述钯基氢敏材料由权利要求1
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6任一项所述的钯基氢敏材料的可控制备方法制备得到。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：平小凡，刘明义，曹曦，曹传钊，林伟杰，宋太纪，雷浩东，成前，杨超然，郭敬禹，陈志强，张建府，陆泽宇，张鹏，刘海林，
申请(专利权)人：中国华能集团香港有限公司，
类型：发明
国别省市：