一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及气体传感器领域，公开了一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法及其应用。该制备方法包括：S1：制备改性Ti3C2纳米片分散液制备；S2：制备g

【技术实现步骤摘要】
一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及气体传感器领域，尤其涉及一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]我国提出构建以新能源为主体的新型电力系统。因此，促进新能源的快速和高质量发展已经成为我国能源战略的主要方向。但是，以风电、光伏为代表的新能源由于出力具有天然的随机性、波动性和间歇性，大规模开发并网后，电力系统“双高双峰”(高比例新能源、高比例电力电子装置，夏天和冬天负荷高峰)特征日益凸显，迫切需要通过发展储能等措施，提高系统的灵活调节能力。在众多储能技术中，锂电池储能由于技术成熟，布置灵活等特点，发展最为迅速，目前已占新增电化学储能装机容量的97％以上(接近抽水蓄能装机容量的一半)，但由于锂电池采用了易燃易爆电解液导致安全事故频繁发生，制约了其进一步发展和推广，因此，安全性已成为锂电池储能发展的重要挑战。
[0003]现有储能系统中火灾预警系统采用的是烟感探测器和温感探测器。基于烟感和温感探测器的误报率非常高，火灾控制系统工作原理是只有当火灾预警系统同时接收到烟感报警信号和温感报警信号时，才能发出启动灭火系统的控制信号。蓄电池着火部位基本在pack内，当火灾预警系统探测到火灾信号时，储能系统中电池火灾已经发展到一定规模了。因此，目前电化学储能系统的火灾预警系统设置是不合理的。火灾预警系统要能够将火灾扼杀在初期阶段，从而降低火灾造成的危害。
[0004]磷酸铁锂电池在热失控初期时会释放H2、CO、CH4和CO2等多种气体，因此，可以选择H2、CO中作为故障特征气体，以便实现锂离子电池热失控早期预警。通过检测锂离子电池周围气体的变化规律，可以分析判断锂离子电池是否发生热失控及热失控程度。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术间题，本专利技术提供了一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法及其应用。本专利技术利用静电吸附作用使改性Ti3C2纳米片和g
‑
C3N4纳米片自组装形成多层交替堆叠结构，该结构中g
‑
C3N4纳米片的掺入能够降低Ti3C2纳米片的自堆叠效应，防止其团聚。并且g
‑
C3N4纳米片中吡啶类型的N原子可以提供能够与H2发生高度可逆化学反应的活性位点，可以提高传感器气敏层对氢气的灵敏度。本专利技术利用尿素在g
‑
C3N4/Ti3C2层间的原位热解来扩大层间距，从而构建出理想的纳米级传输通道。本专利技术获得的g
‑
C3N4/Ti3C2材料对氢气不仅具有极高的灵敏度，同时还对氢气具有出色的可逆性和循环稳定性，因此能够实现对锂电储能系统热失控的监测，在锂离子电池发生火灾前及早预警，保障储能系统的安全。
[0006]本专利技术的具体技术方案为：一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法，包括以下步骤：S1：通过HCl/LiF混合液对Ti3A1C2进行腐蚀剥离得到Ti3C2纳米片，将其分散于十
二烷基二甲基苄基氯化铵水溶液中，水浴振荡加热，超声处理，离心，收集上清液，得到改性Ti3C2纳米片分散液。
[0007]S2：将三聚氰胺先在绝氧条件下500
‑
600℃下煅烧，冷却至室温后取出，得到黄色块体g
‑
C3N4，将其在500
‑
600℃空气条件下继续氧化煅烧，得到g
‑
C3N4纳米片；将其分散于水中，超声处理，得到g
‑
C3N4纳米片分散液。
[0008]S3：将改性Ti3C2纳米片分散液和g
‑
C3N4纳米片分散液混合后，加入尿素，超声分散均匀，得到混合分散液；将亲水性聚丙烯膜放置于真空抽滤装置中，真空抽滤，热处理，得到复合薄膜氢气传感器气敏层。
[0009]在S1中，本专利技术通过HCl/LiF将层状材料Ti3AlC2中的Al层刻蚀去除，获得剥离的Ti3C2纳米片。此后将其分散于十二烷基二甲基苄基氯化铵水溶液中进行改性，十二烷基二甲基苄基氯化铵进入Ti3C2纳米片层间，获得带正电荷的改性Ti3C2纳米片分散液。
[0010]在S2中，本专利技术采用先绝氧煅烧后氧化煅烧的二步煅烧工艺来制备高剥离度的g
‑
C3N4纳米片。其中，第一步绝氧煅烧后获得的g
‑
C3N4粉体在微观结构上还不是片状，而通过第二步的氧化煅烧后可到得到高剥离度的g
‑
C3N4纳米片。
[0011]在S3中，本专利技术将改性Ti3C2纳米片分散液和g
‑
C3N4纳米片分散液混合后通过真空抽滤制膜，在真空抽滤过程中，带负电荷的g
‑
C3N4纳米片与带正电荷的改性Ti3C2纳米片在静电作用下可自发组装形成交替的多层堆叠结构，g
‑
C3N4纳米片的插层能够有效降低Ti3C2纳米片的自堆叠效应，从而维持其高剥离度，维持较大的层间距。并且g
‑
C3N4纳米片其吡啶类型的N原子可以提供能够与H2发生高度可逆化学反应的活性位点，可以提高传感器对氢气的灵敏度。此外，在真空抽滤过程中随着溶剂的逐渐流失，尿素也会沉积附着于纳米片的层间，形成层间负载有尿素的Ti3C2/GO多层材料，在后续的热处理作用下，尿素在高温下于g
‑
C3N4/Ti3C2的层间原位分解产生气体，导致体积变大，能够显著增加层间距，从而构建出理想的纳米级传输通道。本专利技术团队发现，具有上述特殊纳米级传输通道的g
‑
C3N4/Ti3C2在作为气体传感器气敏层时对氢气不仅具有极高的灵敏度，可在室温下检测到ppm级别的氢气，同时还对氢气具有出色的可逆性和循环稳定性，因此能够实现对锂电储能系统热失控的监测，在锂离子电池发生火灾前及早预警，保障储能系统的安全。
[0012]作为优选，S1中，所述Ti3C2纳米片的制备方法为：向搅拌的HCl/LiF混合液中添加Ti3AlC2粉末，连续搅拌反应，将所得混合溶液离心，对所得沉淀反复洗涤和离心，收集沉淀物，即为Ti3C2纳米片。
[0013]作为优选，S1中，所述十二烷基二甲基苄基氯化铵水溶液的浓度为2
‑
4mmol/L。
[0014]作为优选，S2中，在绝氧条件下煅烧1
‑
3h，在空气条件下氧化煅烧1
‑
3h。
[0015]作为优选，S3中，所述改性Ti3C2纳米片分散液中改性Ti3C2纳米片的含量为10
‑
15mg/mL；所述g
‑
C3N4纳米片分散液中g
‑
C3N4纳米片的浓度为20
‑
40mg/mL。
[0016]作为优选，S3中，所述混合分散液中改性Ti3C2纳米片和g
‑
C3N4纳米片的质量比为85：15
‑
95：5，尿素的含量为0.4
‑
0.6mol/L。
[0017]本专利技术进一步发现，要想获得理本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合薄膜氢气传感器气敏层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：S1：通过HCl/LiF混合液对Ti3AlC2进行腐蚀剥离得到Ti3C2纳米片，将其分散于十二烷基二甲基苄基氯化铵水溶液中，水浴振荡加热，超声处理，离心，收集上清液，得到改性Ti3C2纳米片分散液；S2：将三聚氰胺先在绝氧条件下500
‑
600℃下煅烧，冷却至室温后取出，得到黄色块体g
‑
C3N4，将其在500
‑
600℃空气条件下继续氧化煅烧，得到g
‑
C3N4纳米片；将其分散于水中，超声处理，得到g
‑
C3N4纳米片分散液；S3：将改性Ti3C2纳米片分散液和g
‑
C3N4纳米片分散液混合后，加入尿素，超声分散均匀，得到混合分散液；经真空抽滤，热处理，得到复合薄膜氢气传感器气敏层。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：S1中，所述Ti3C2纳米片的制备方法为：向搅拌的HCl/LiF混合液中添加Ti3AlC2粉末，连续搅拌反应，将所得混合溶液离心，对所得沉淀反复洗涤和离心，收集沉淀物，即为Ti3C2纳米片。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：S1中，所述十二烷基二甲基苄基氯化铵水溶液的浓度为2
‑
4mmol/L。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：S2中，在绝氧条件下煅烧1
‑
3h，在空气条件下氧化煅烧1
‑
3h。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：S3中，所述改性Ti3C2纳米片...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋建杰，楼平，周开运，管敏渊，姚建锋，唐明，韩磊，王瑶，高泓，范斯宸，
申请(专利权)人：湖州电力设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：