【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学传感及检测，特别涉及一种基于准固态电解质的氢气传感器及其制备方法、用途。
技术介绍
1、尽管电化学氢气传感器已经在各领域得到了广泛应用，但在检测范围、响应时间、恢复时间以及稳定性等方面与美国能源部定下的理想氢气传感器的性能指标仍然有很大的差距。目前商业的氢气传感器的响应电流往往都在纳安级别，这会到导致传感器的电信号转换为数字信号的放大与过滤过程中存在矫正困难，信号的波动会导致无法在较大的范围内实现稳定的线性响应。而商业传感器响应时间通常在30秒以上，在分秒必争的安全领域中，这显然还不能满足要求。此外，目前传感器的使用寿命一般在两到三年左右，而售价通常在上千元，因此传感器最好能有较长的使用寿命，以降低成本。
2、对于基于电化学原理的电流型氢气传感器，其用于工作电极与对电极的催化剂无疑直接影响着电极反应动力学，这宏观的表现为对于传感器响应值、灵敏度、检测范围等响应性能参数的直接影响。而目前应用与研究的催化剂通常为通过简单的化学或物理方法制备所得贵金属或商业化的铂碳电极，因此存在贵金属载量过大的情况，且性能仍有提升的空间，这在传感器的应用中带来了成本问题。电解质是电化学氢气传感器的构件中同样重要的一个方面，由于基于氢气氧化反应的检测方式需要营造酸性的氛围，因此传统的液态电解质通常选用一定浓度的硫酸溶液，这难免存在易蒸发、腐蚀、泄露等问题，同时给传感器的封装带来了一些难题，而目前主要研究的基于nafion膜等聚合物电解质的传感器，则存在湿度依赖，需要保持水分供给，这都导致了传感器难以长久运行。三相界面作为
技术实现思路
1、本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于准固态电解质的氢气传感器及其制备方法、用途。
2、本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
3、一种基于准固态电解质的氢气传感器，包括准固态电解质层及三维电极层；准固态电解质层由高分子水凝胶材料制成，三维电极层由疏水性气体扩散层负载具有三维网孔结构的催化剂构成，催化剂包括载体及其负载的活性组分；将准固态电解质层置于两层三维电极层之间，形成由外至内依次设置的气体扩散层、催化剂层及准固态电解质层的多层结构，该多层结构构成氢气传感器的主体。
4、进一步地，准固态电解质层由非共价作用或共价作用交联形成的水凝胶制成；水凝胶的组分包括溶剂及以下一种或几种化合物：聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、纤维素、戊二醛。
5、进一步地，疏水性气体扩散层由以下材料中的一种或几种制成：聚四氟乙烯、聚丙烯、碳纸。
6、进一步地，催化剂层中的活性组分包括以下金属之一的单质或其氧化物，或以下几种金属组成的合金或其多元金属氧化物：铂、钯、银、金、铜、镍、铑、钌、铱、钴。
7、进一步地，催化剂层中的载体由以下材料中的一种或几种制成：碳纳米管、碳纳米纤维、三维石墨烯或石墨碳。
8、进一步地，氢气传感器的主体封装在顶面开孔的壳体内；壳体顶面开孔用于连通被检测气体。
9、进一步地，壳体由聚四氟乙烯、聚乳酸、尼龙或金属制成。
10、本专利技术还提供了一种如上述的基于准固态电解质的氢气传感器的制备方法，该制备方法包括如下方法步骤：
11、步骤1，通过沉积法、化学还原法将活性组分与载体相结合，制成具有三维网孔结构的催化剂；
12、步骤2，将催化剂通过喷涂、滴涂、溅射、沉积或热压方式附着在疏水性气体扩散层下表面，形成三维电极层；
13、步骤3，将准固态电解质层置于两层三维电极层之间，形成由外至内依次设置的气体扩散层、催化剂层及准固态电解质层的多层结构，通过物理热压法、直接浸润法、交联结合法或双面贴合法使多层结构贴合成一个整体，成为氢气传感器的主体；
14、步骤4，将氢气传感器的主体置于壳体中，并封装成为氢气传感器。
15、本专利技术还提供了一种如上述的基于准固态电解质的氢气传感器的用途，该氢气传感器应用于氢气生产、存储、运输与使用环节的安全监测。
16、本专利技术具有的优点和积极效果是：
17、本专利技术针对目前商用催化剂贵金属载量过高，成本增加，同时过度堆积掩盖了活性位点，导致催化活性不高的问题。设计基于碳管网络的三维电极结构，形成气体扩散层，优化传质，增强催化剂的利用效率。针对传统液态电解质存在易蒸发、腐蚀、泄露等问题，以及目前基于nafion膜等聚合物电解质的传感器存在湿度依赖，需要保持水分供给的问题；制备基于水凝胶的准固态电解质，其电导率相对较高，与电极之间存在更好的界面兼容性，同时其与水分子之间的强氢键作用不仅抑制了凝胶电解质在低温时的凝固，而且限制了电解质中自由水的挥发，有效解决当下传感器长期稳定性的问题。针对商业传感器响应时间较长的问题，通过调控三相界面构建了一体化多层结构，通过反应界面强化气体传质效果，提升了传感器的各项响应性能。
18、本专利技术的一种基于准固态电解质的氢气传感器具备更高的氢气氧化性能，具有良好的线性响应能力及重复响应能力，基本不存在湿度依赖，具备具有良好的长期稳定性。
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1.一种基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，包括准固态电解质层及三维电极层；准固态电解质层由高分子水凝胶材料制成，三维电极层由疏水性气体扩散层负载具有三维网孔结构的催化剂构成，催化剂包括载体及其负载的活性组分；将准固态电解质层置于两层三维电极层之间，形成由外至内依次设置的气体扩散层、催化剂层及准固态电解质层的多层结构，该多层结构构成氢气传感器的主体。
2.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，准固态电解质层由非共价作用或共价作用交联形成的水凝胶制成；水凝胶的组分包括溶剂及以下一种或几种化合物：聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、纤维素、戊二醛。
3.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，疏水性气体扩散层由以下材料中的一种或几种制成：聚四氟乙烯、聚丙烯、碳纸。
4.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，催化剂层中的活性组分包括以下金属之一的单质或其氧化物，或以下几种金属组成的合金或其多元金属氧化物：铂、钯、银、金、铜、镍、铑、钌、铱、钴。
5.根据权利要求1所述的
6.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，氢气传感器的主体封装在顶面开孔的壳体内；壳体顶面开孔用于连通被检测气体。
7.根据权利要求6所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，壳体由聚四氟乙烯、聚乳酸、尼龙或金属制成。
8.一种如权利要求1至7任一所述的基于准固态电解质的氢气传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下方法步骤：
9.一种如权利要求1至7任一所述的基于准固态电解质的氢气传感器的用途，其特征在于，该氢气传感器应用于氢气生产、存储、运输与使用环节的安全监测。
...【技术特征摘要】
1.一种基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，包括准固态电解质层及三维电极层；准固态电解质层由高分子水凝胶材料制成，三维电极层由疏水性气体扩散层负载具有三维网孔结构的催化剂构成，催化剂包括载体及其负载的活性组分；将准固态电解质层置于两层三维电极层之间，形成由外至内依次设置的气体扩散层、催化剂层及准固态电解质层的多层结构，该多层结构构成氢气传感器的主体。
2.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，准固态电解质层由非共价作用或共价作用交联形成的水凝胶制成；水凝胶的组分包括溶剂及以下一种或几种化合物：聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸、纤维素、戊二醛。
3.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，疏水性气体扩散层由以下材料中的一种或几种制成：聚四氟乙烯、聚丙烯、碳纸。
4.根据权利要求1所述的基于准固态电解质的氢气传感器，其特征在于，催化剂层中的活性组分包括...
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