一种氢敏材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氢敏材料及其制备方法和应用，所述氢敏材料为一维纳米纤维结构的Pd

【技术实现步骤摘要】
一种氢敏材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于检测
，具体涉及一种氢敏材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢气具有燃烧效率高、产物无污染等优点，被认为人类未来的理想能源之一，已被广泛应用于航空、化工、医疗、交通等领域。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用过程中极易发生泄漏，且着火点仅为585℃，氢气无色无味，泄露时不能被人察觉，空气中含量在4％～75％范围内，遇明火即可发生强烈爆炸。因此，开发可用于特定环境下的快速、准确的氢气原位探测技术手段，对于氢气泄露、爆炸预警以及氢能源的安全和管理具有重要意义。
[0003]二氧化铈(CeO2)是一种宽禁带N型半导体(Eg＝2.58eV)，因其优异的氧化还原能力而被广泛关注，在氢的制备与纯化、氧化加氢、催化剂、燃料电池电解质、生物传感器的领域有着重要的应用。Ce
3+
/Ce
4+
间的氧化还原循环首先向反应物提供表面氧，形成的氧缺陷，这种氧缺陷不仅可以为过渡金属团簇提供成核位点，同时可调节过渡金属团簇的带电量及形貌，进而影响其催化效果。纯CeO2纳米材料气敏元件难以满足测试需求，对其进行掺杂改性可以有效地提高其敏感性能。钯(Pd)属于过渡金属，对氢有较高的催化活性和选择性，在氢的纯化、加氢、航天等氢相关工业中有着重要的应用。Pd吸附氢气以后，氢气在Pd的催化作用下分解为氢原子，氢原子与Pd形成Pd
‑
H合金，改变Pd晶格结构，从而改变Pd的物化性质，实现对氢气浓度的检测。
专利
技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种氢敏材料及其制备方法和应用，通过静电纺丝工艺，CeO2金属氧化物晶格内引入Pd金属阳离子，制备了一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2氢敏材料，用其构筑的氢气传感器具有范围宽、稳定、快速响应的优点。
[0005]实现本专利技术目的技术方案为：
[0006]一种氢敏材料，所述氢敏材料为一维纳米纤维结构的Pd
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CeO2，所述Pd
‑
CeO2包含半导体CeO2和包含在所述半导体CeO2的晶格中的Pd金属阳离子。
[0007]优选的，上述氢敏材料中，所述半导体CeO2中Ce元素和Pd金属阳离子的摩尔比在从20：1至30：1的范围中。
[0008]本专利技术还提供一种氢敏材料的制备方法，所述氢敏材料为一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2，所述制备方法包括以下步骤：
[0009](1)将含Ce的可溶性盐和含Pd的可溶性盐加入溶剂中，得混合溶液；
[0010](2)在剧烈搅拌步骤(1)所得混合溶液的同时加入分散剂，继续搅拌处理，得到前驱体溶液；
[0011](3)以步骤(2)所得前驱体溶液为原料，利用静电纺丝法制得前驱体纤维；
[0012](4)将步骤(3)所得前驱体纤维放入气氛炉中，升温至200～300℃，保温1.5～2.5小时，再升温到350～450℃，保温2～4小时，即得一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2。
[0013]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(1)中，所述含Ce的可溶性盐为Ce(NO3)3·
6H2O；和/或，所述含Pd的可溶性盐为PdCl2。
[0014]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(1)中，所述含Ce的可溶性盐中Ce元素与含Pd可溶性盐中Pd元素的摩尔比为20：1至30：1。
[0015]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(1)中，所述溶剂为二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂，进一步优选的，二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为0.8～1.2:1。
[0016]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(2)中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。
[0017]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(3)中，所述静电纺丝法具体为：将所述前驱体溶液注入推注器中，在推注器的推液速度0.4～0.6mL/h，推注器的喷丝口与接收滚轮之间距离为18～22cm，电压为15～25KV，接收滚轮的转速为100～200rpm的条件下纺丝制备前驱体纤维。
[0018]优选的，上述的氢敏材料的制备方法中，步骤(4)中，以30～50℃/h的升温速率升温至所述200～300℃，以30～50℃/h的升温速率升温至所述350～450℃；
[0019]将所述前驱体纤维放入所述气氛炉中煅烧之前，对所述前驱体纤维进行干燥处理，优选的，所述干燥的温度为40～60℃，干燥的时间为8～16h。
[0020]本专利技术还提供上述的氢敏材料或上述制备方法制备所得氢敏材料在制备氢气传感器中的应用。
[0021]本专利技术的有益技术效果体现在以下方面：
[0022]本专利技术通过静电纺丝工艺，在CeO2金属氧化物晶格内引入Pd金属阳离子，制备出了一维纳米纤维结构的Pd
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CeO2氢敏材料，用其构筑的氢气传感器具有范围宽、稳定、快速响应的优点，提高了对氢气的检测灵敏度。
附图说明
[0023]图1为试验例中氢气传感器对氢气的响应变化图。
[0024]图2为试验例中氢气传感器的结构示意图。
具体实施方式
[0025]以下实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。
[0026]以下实施例中，采用的药品均为分析纯级别且没有经过二次提纯。聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW＝1300000)、硝酸铈(Ce(NO3)3·
6H2O)和氯化钯(PdCl2)为Macklin公司产品，二甲基甲酰胺(DMF)为Aladdin公司产品。
[0027]实施例1
[0028]一种氢敏材料，为一维纳米纤维结构的Pd
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CeO2，所述Pd
‑
CeO2包含半导体CeO2和包含在所述半导体CeO2的晶格中的Pd金属阳离子。
[0029]本实施例进一步提供所述氢敏材料的制备方法，包括步骤：
[0030](1)将二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇按体积比1:1混合，然后将2.4g硝酸铈(Ce(NO3)3·
6H2O)及0.04g氯化钯(PdCl2)加入40mL上述溶剂中，充分搅拌30分钟，得混合溶液；
[0031](2)在剧烈搅拌的条件下将3.2g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW＝1300000)加入上述混
合溶液中，搅拌12小时，得到前驱体溶液；
[0032](3)静电纺丝过程：将前驱体溶液装入针管中(针头型号20G)，在室温，推液速度为0.5mL/h，喷丝口与接收滚轮之间的距离为20cm，电压为20KV，接收滚轮的转速为140rpm的条件下纺丝制得前驱体纤维；
[0033](4)将收集到的前驱体纤维在50℃真空条件下干燥12小时，随后将其放入氮气气氛炉中，以40℃/h的升温速度升温至250℃，保温2小时，继续以40℃/h的升温速度升温至400℃，煅烧3小时，得到一维纳米纤维结构的P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢敏材料，其特征在于，所述氢敏材料为一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2，所述Pd
‑
CeO2包含半导体CeO2和包含在所述半导体CeO2的晶格中的Pd金属阳离子。2.根据权利要求1所述的氢敏材料，其特征在于，所述半导体CeO2中Ce元素和Pd金属阳离子的摩尔比在从20：1至30：1的范围中。3.一种氢敏材料的制备方法，其特征在于，所述氢敏材料为一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2，所述制备方法包括以下步骤：(1)将含Ce的可溶性盐和含Pd的可溶性盐加入溶剂中，得混合溶液；(2)在剧烈搅拌步骤(1)所得混合溶液的同时加入分散剂，继续搅拌处理，得到前驱体溶液；(3)以步骤(2)所得前驱体溶液为原料，利用静电纺丝法制得前驱体纤维；(4)将步骤(3)所得前驱体纤维放入气氛炉中，升温至200～300℃，保温1.5～2.5小时，再升温到350～450℃，保温2～4小时，即得一维纳米纤维结构的Pd
‑
CeO2。4.根据权利要求3所述的氢敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含Ce的可溶性盐为Ce(NO3)3·
6H2O；和/或，所述含Pd的可溶性盐为PdCl2。5.根据权利要求3或4所述的氢敏材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含Ce的可溶性盐中Ce元素与含Pd可溶性盐中P...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晶晶，宁占武，刘未杰，张艳妮，刘锦华，赵鹏，孙芃，刘凝，贾依婷，
申请(专利权)人：北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所，
类型：发明
国别省市：