一种高浓度氢气传感器及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于氢气传感器技术领域，特别是一种适用于测试高于1％的氢气传感器。本发明专利技术针对目前基于半导体式气敏传感器在高能浓度氢气传感方面较为困难，考虑到钯、金、铂等贵金属对氢气具有选择性吸附且对氢气有催化溢流的效应，降低反应的活化能，利用贵金属与半导体的协同作用从而可以提高氢气检测上限，制得了贵金属掺杂的多孔氧化锡或者氧化铟多孔薄膜，作为一种对高浓度氢气检测的半导体传感器件。该半导体式高浓度氢气传感器能够检测出1％以上浓度的氢气，且重复利用性能好。且重复利用性能好。且重复利用性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种高浓度氢气传感器及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及氢气传感器
，特别是一种适用于测试高于1％的氢气传感器。

技术介绍

[0002]氢气有望在未来几年成为多种应用的绿色和可再生能源，包括燃料电池汽车、航天器、汽车、发电机和飞机等。然而这种轻而无味的气体是高度易燃的，其爆炸物浓度范围广、扩散快、低点火能量和火焰传播速度快。因此，在运输、存储和使用过程中氢气泄漏会可能导致灾难性后果，十分必要灵敏的氢气气敏传感器监测氢气的泄露。氢气气敏传感器的种类很多，根据气体的分析方法在原理方面的不同，目前市场主流的氢气气体传感器可主要分为三类：电化学式、催化燃烧式及半导体式。电化学式是以离子导电为基础，由膜电极和电解液灌封而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它虽然有反应速度快、稳定性好、能够定量检测等优点，但是起作用的电解液寿命短，温度补偿也比较困难。催化燃烧式是敏感材料在导电状态下，当可燃性气体(H2、CO、CH4等)与空气中的氧接触，会发生反应，产生的热量使导热丝升温，使电阻值发生变化。这种接触燃烧式传感器具有较好的稳定性和线性，可用于检测易燃易爆气体极限。但是这种传感器易中毒(环境中硫化物的存在)，长期漂移量大。半导体式是利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。它主要使用半导体气敏材料，气体在半导体敏感材料表面的氧化还原反应导致敏感材料内部载流子发生变化而产生宏观物理量变化，通过测试这些物理特性的变化得知气体浓度。自从半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、体积小、重量轻、便于集成化、易与Si基半导体工艺兼容等一系列优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
[0003]半导体金属氧化物气体传感器可用于H2等可燃气体防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。一般半导体传感器可检测氢气气体浓度范围<1％(这里我们定义<1％的氢气为低浓度氢气，高于1％的为高浓度氢气)，气体浓度过高会使得传感器响应达到饱和，无法辨别气体的浓度甚至有可能导致传感器中毒失去传感的能力。在氢气存储、运输和使用过程中，气体一旦泄露，极有可能会超过1％，所以发展高浓度氢气传感器是极具挑战的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的之一是提供一种高浓度氢气传感器的制备方法，该方法制得的氢气传感器能够测试浓度1％以上的高浓度氢气。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种半导体式高浓度氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0006]S1、在亲水性的平整基片上形成有序排列的、单层的有机胶体球阵列层；
[0007]S2、以水为溶剂，将四氯化锡或硝酸铟与硝酸铝、氯化钯、氯金酸、氯铂酸混合，得到前驱体溶液，将附着有机胶体球阵列层的平整基片浸入前驱体溶液中，有机胶体球阵列层从平整基片上脱落后漂浮在前驱体溶液中，有机胶体球之间的空隙充满前驱体溶液；
[0008]S3、将前驱体溶液中的有机胶体球阵列层转移到经亲水处理的陶瓷管器件的表面；
[0009]S4、将覆盖有有机胶体球阵列层的陶瓷管器件置于60
‑
120℃下干燥处理10
‑
30min，至有机胶体球空隙中前驱体溶液中的溶剂挥发，在相邻的有机胶体球之间以及有机胶体球与陶瓷管之间的空隙中产生析出物；
[0010]S5、然后置于400
‑
600℃下退火1
‑
2h去除胶体球，在陶瓷管传感器基底上形成有序多孔薄膜，即制得半导体式高浓度氢气传感器。
[0011]作为半导体式高浓度氢气传感器的制备方法进一步的改进：
[0012]优选的，所述前驱体溶液中四氯化锡或硝酸铟的浓度为0.1
‑
0.3mol/L，硝酸铝的浓度为0.01
‑
0.03mol/L，氯化钯、氯金酸和氯铂酸的浓度相同且为0.001
‑
0.01mol/L。
[0013]优选的，所述有机胶体球阵列层的制备方法如下：在亲水性的平整基片上形成有机胶体球阵列层的方法如下：平整基片进行亲水性处理，将直径150
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500nm、质量含量为10wt％的有机胶体球水溶液按照1:1的体积比与乙醇混合，得到有机胶体球混合液；将混合液从经亲水性处理的平整基片的边缘缓慢滴到平整基片上，有机胶体球在空气
‑
水界面上自组装并形成单层有机胶体球阵列，自然干燥。
[0014]优选的，所述平整基片进行亲水性处理的具体步骤如下：1)将平整基片在乙醇中超声清洗，随后用去离子水清洗；2)再置于去离子水中超声清洗并，烘干；3)将烘干后的平整基片置于等离子体清洗机中处理，获得清洁、亲水的表面。
[0015]优选的，步骤S3中的陶瓷管器件在使用前置于等离子体清洗机中清洗以获得表面清洁、亲水的表面。
[0016]优选的，所述平整基片的材质为载玻片、硅片或陶瓷片。
[0017]优选的，所述有机胶体球的成分为聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。
[0018]本专利技术的目的之二是提供一种上述制备方法制得的半导体式高浓度氢气传感器。
[0019]本专利技术的目的之三是提供一种上述半导体式高浓度氢气传感器在检测氢气上的用途，氢气的体积浓度为1％以上。
[0020]本专利技术相比现有技术的有益效果在于：
[0021]1)针对目前基于半导体式气敏传感器在高能浓度氢气传感方面较为困难，考虑到钯、金、铂贵金属对氢气具有选择性吸附且对氢气有催化溢流的效应，降低反应的活化能，本专利技术利用贵金属与半导体的协同作用从而可以提高氢气检测上限，制得了贵金属掺杂的多孔氧化锡或者氧化铟薄膜，可作为一种对高浓度氢气检测的半导体传感器件。本申请采用氧化锡或者氧化铟为半导体有序敏感多孔薄膜器件的主体材料，并以氧化铝为薄膜结构的稳定剂。利用贵金属钯、铂、金对半导体薄膜进行共掺杂，以防其在高浓度氢气下中毒失效。
[0022]2)与传统基于颗粒薄膜的器件相比，基于胶体球模板辅助制备的贵金属参杂的二氧化锡多孔薄膜结构，可以选用合适的模板控制孔道的大小。并且这种多孔薄膜与传统颗粒材料相比具有大的比表面积，使得气体与表面接触后可以快速响应。基于此有序多孔膜的器件与传统薄膜相比具有良好的可控性以及重复性，因为只要控制胶体球模板的大小，可以使得器件与器件或者说薄膜结构具有高度的一致性。最为重要的是传统半导氢气传感器件可检测氢气的体积浓度不超过4％，基于我们多元贵金属掺杂的二氧化锡多孔膜可以
检测氢气的体积浓度达到10％。
[0023]3)本专利技术提供了一种半导体式高浓度氢气传感器的制备方法：
[0024]在制备有机胶体球阵列层时，由于能量最小化原则，聚苯乙烯球乙醇混合液在亲水性处理的平整基片的空气
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水界面上自组装并形成密堆积的单层薄膜；
[0025]将有机胶体球阵列层浸入前驱体溶液中，则单层胶体晶体由于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体式高浓度氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在亲水性平整基片上形成有序排列的、单层的有机胶体球阵列层；S2、以水为溶剂，将四氯化锡或硝酸铟与硝酸铝、氯化钯、氯金酸、氯铂酸混合，得到前驱体溶液，将附着有机胶体球阵列层的亲水性平整基片浸入前驱体溶液中，有机胶体球阵列层从平整基片上脱落后漂浮在前驱体溶液中，有机胶体球之间的空隙充满前驱体溶液；S3、将前驱体溶液中的有机胶体球阵列层转移到经亲水处理的陶瓷管器件的表面；S4、将覆盖有有机胶体球阵列层的陶瓷管器件置于60
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120℃下干燥处理10
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30min，至有机胶体球空隙中前驱体溶液中的溶剂挥发，在相邻的有机胶体球之间以及有机胶体球与陶瓷管之间的空隙中产生析出物；S5、然后置于400
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600℃下退火1
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2h去除胶体球，在陶瓷管传感器基底上形成有序多孔薄膜，即制得半导体式高浓度氢气传感器。2.根据权利要求1所述的半导体式高浓度氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中四氯化锡或硝酸铟的浓度为0.1
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0.3mol/L，硝酸铝的浓度为0.01
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0.03mol/L，氯化钯、氯金酸和氯铂酸的浓度相同且为0.001
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0.01mol/L。3.根据权利要求1所述的半导体式高浓度氢气传感器的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪文，符浩，雷彪，周乐，赵倩，蔡伟平，
申请(专利权)人：山东智微检测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：