【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能薄膜材料制备，涉及一种超快速氢致变色介孔wo3薄膜及其制备方法。
技术介绍
1、三氧化钨(wo3)是一种n型半导体，具有对氢气敏感的气致变色特性。在负载了铂或钯催化剂后，即使在室温下暴露于稀释的氢气中，wo3也会对可见光和近红外光表现出强烈的吸收。其颜色从透明或淡黄色(漂白状态)变为深蓝色(着色状态)。这种气致变色的着色行为在暴露于空气或氧气后又会发生逆转，即从深蓝色变为透明或者淡黄色。wo3这种独特的氢致变色性质使其在调光玻璃、光学型氢气传感器中具有广阔的应用前景。随着全球对碳排放的政策限制加强，氢能源正逐步走向更广的应用场景。氢气无色无味，在空气中的可燃范围约为4～75vol％。因此，理想的基于wo3氢致变色薄膜的氢气传感器需要能够对氢气产生快速响应以检测其泄露。大量研究表明，纳米多孔结构的wo3薄膜的氢致变色性能比致密的块体或者致密的薄膜wo3优异许多。这主要是因为纳米多孔结构的wo3薄膜具有更大的比表面积，既可以作为催化剂的载体进而缩短质子扩散的路径长度，又能更容易地吸附一定水分以促进质子的快速迁移。
2、专利技术人前期申请的专利文献cn 113321427a中记载了一种在ito玻璃上先制备wo3种子层，再负载底层催化剂，溶剂热法生长纳米线结构wo3薄膜，最后再负载面层催化剂的快速氢致变色wo3薄膜的制备方法。但是该pt/wo3纳米线体系的着色/褪色速率(着色响应时间为20s、褪色恢复时间为72.7s)还不够快，若要实际应用仍有待进一步提升。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现存的氢致变色wo3薄膜对氢气的响应速度较慢的缺陷，提供一种超快速氢致变色介孔wo3薄膜及其制备方法，克服氢致变色wo3薄膜对氢气响应速度不够快的问题，推动wo3氢致变色薄膜在光学型氢气传感器方向的实际应用。
2、本专利技术的目的可以通过以下方案来实现：
3、第一方面，本专利技术提供了一种超快速氢致变色介孔wo3薄膜，包括由下往上依次设置的基底、纳米多孔wo3层、催化剂层，所述纳米多孔wo3层内部的介孔内表面设置有酸液层。
4、作为本专利技术的一个实施方案，所述基底包括透明石英玻璃。
5、作为本专利技术的一个实施方案，纳米多孔wo3层的厚度为20nm～1μm。若wo3层的厚度过小，则氢致变色pt/wo3薄膜接触氢气前后透射率的变化幅度较小，其肉眼可见的颜色变化不够突出；若wo3层过厚，则厚度的增长对薄膜接触氢气前后透射率的变化不再有贡献，而且因为厚度过大而延长了薄膜着色/褪色的时间。优选地，所述纳米多孔wo3层的厚度为200nm～1μm。
6、作为本专利技术的一个实施方案，所述介孔的孔径为8～50nm。
7、作为本专利技术的一个实施方案，所述催化剂层中的催化剂包括pt、pd、pt-pd合金、pd-au合金中的一种或几种；催化剂层的厚度为1nm～10nm。催化剂层如果太厚，会使样品颜色变灰黑，减小初始透射率，继而引起氢致变色pt/wo3薄膜接触氢气前后透射率的变化幅度减小；反之，如果催化剂层太薄，则氢致变色着色/褪色过程受到氢气在催化剂表面的裂解速率较慢的限制而不能达到最快的响应速度。
8、作为本专利技术的一个实施方案，所述酸液层的厚度为0.5～10nm。
9、作为本专利技术的一个实施方案，所述酸液层中的酸液包括硫酸、盐酸、磷酸、苯磺酸、甲磺酸中的至少一种。
10、作为本专利技术的一个实施方案，所述酸液层中酸液的浓度为2～10mol/l。
11、第二方面，本专利技术提供了一种所述超快速氢致变色介孔wo3薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12、s1、在基底材料上制备有机-无机杂化纳米复合层；
13、s2、对有机-无机杂化纳米复合层进行热处理，形成纳米多孔wo3层；
14、s3、在纳米多孔wo3层上负载催化剂层，形成纳米多孔wo3薄膜；
15、s4、将纳米多孔wo3薄膜在酸液中浸泡，得到所述超快速氢致变色介孔wo3薄膜。
16、作为本专利技术的一个实施方案，步骤s1中，所述制备方法包括：将两性嵌段共聚物与无机钨源混合，形成有机-无机杂化纳米复合层。
17、进一步地，所述两性嵌段共聚物包括聚氧乙烯-b-聚苯乙烯(peo-b-ps)。
18、进一步地，所述无机钨源包括钨酸、钨酸盐、六氯化钨、过氧聚钨酸中的一种或几种。
19、进一步地，两性嵌段共聚物与无机钨源的质量比为1:3～1:6。在该范围内可以形成具有均一球形介孔的纳米多孔wo3层；若低于1:3，会由于无机钨源的含量过少而不再能维持介孔框架，导致出现不规则介孔，且薄膜布满裂纹；若高于1:6，由于无机钨源添加量过多时，模板剂(即两性嵌段共聚物)含量过少，会导致薄膜中仅部分区域可观察到球形介孔，其他位置则较为致密。
20、在一些优选实施例中，所述有机-无机杂化纳米复合层的制备方法包括：将基底在丙酮、乙醇中分别超声清洗20min，采用旋涂、浸涂或滴涂方法将适量配制好的两性嵌段共聚物与无机钨源混合溶液沉积在基底上，形成有机-无机杂化纳米复合层。
21、作为本专利技术的一个实施方案，步骤s2中，所述热处理包括：对有机-无机杂化纳米复合层先在惰性氛围中热解，在空气氛围中煅烧。
22、进一步地，所述热解温度为300～500℃，保温时间为1～5h。煅烧温度为300～450℃，保温时间为15min～4h。热解、煅烧热处理去除有机相和残留的碳，若热解温度过低，则聚合物模板难以发生热解，残余碳也难以被氧气氧化去除；若热解过高，则多孔wo3结构会塌陷，并伴随晶体结构由单斜向斜方的转变，不利于氢致变色过程。煅烧温度过低会导致残碳难以被氧化去除；热解/煅烧温度过高，则都可能会引起介孔结构的塌陷和晶体结构由单斜向斜方的不利转变。
23、作为本专利技术的一个实施方案，步骤s3中，所述负载的方法包括溅射负载。
24、作为本专利技术的一个实施方案，步骤s4中，所述酸液的浓度范围在0.1～5mol/l。酸液浓度过低，则其效果类似浸泡去离子水，效果不明显；酸液浓度过大，则因溶液可能具有较大的黏度而影响酸液在介孔wo3内部孔隙表面的吸附效果，且酸液浓度达到一定浓度后，浸泡效果会达到饱和不再变化。
25、作为本专利技术的一个实施方案，步骤s4中，浸泡时间为30min～24h。浸泡后进行干燥。
26、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
27、1、本专利技术采用两性嵌段共聚物为模板剂进行溶胶凝胶法制备膜层，获得的wo3薄膜具备球形介孔形貌且介孔孔径较小，分布均一，其较高的比表面积提升了wo3表面可供催化剂负载的位点以及提供了大量吸附水分的表面，有利于缩短质子扩散路径，增大质子扩散速率，从而显著降低薄膜的着色/褪色响应时间。
28、2、本专利技术通过浸酸后处理工艺可以在wo3薄膜内部介孔表面上形成残留酸液层，结合嵌段共聚物为模板剂所获得的高比表本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超快速氢致变色介孔WO3薄膜，其特征在于，包括由下往上依次设置的基底、纳米多孔WO3层、催化剂层，所述纳米多孔WO3层内部的介孔内表面设置有酸液层。
2.根据权利要求1所述的超快速氢致变色介孔WO3薄膜，其特征在于，所述纳米多孔WO3层的厚度为20nm～1μm；所述介孔的孔径为8～50nm。
3.根据权利要求1所述超快速氢致变色介孔WO3薄膜，其特征在于，所述催化剂层中的催化剂包括Pt、Pd、Pt-Pd合金、Pd-Au合金中的一种或几种；催化剂层的厚度为1nm～10nm。
4.根据权利要求1所述超快速氢致变色介孔WO3薄膜，其特征在于，所述酸液层的厚度为0.5～10nm；所述酸液层中的酸液包括浓度为2～10mol/L的硫酸、盐酸、磷酸、苯磺酸、甲磺酸中的至少一种。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述超快速氢致变色介孔WO3薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述制备包括：将两性嵌段共聚物与无机钨源混合，形成有机-无机杂化纳米复合层。<...
【技术特征摘要】
1.一种超快速氢致变色介孔wo3薄膜，其特征在于，包括由下往上依次设置的基底、纳米多孔wo3层、催化剂层，所述纳米多孔wo3层内部的介孔内表面设置有酸液层。
2.根据权利要求1所述的超快速氢致变色介孔wo3薄膜，其特征在于，所述纳米多孔wo3层的厚度为20nm～1μm；所述介孔的孔径为8～50nm。
3.根据权利要求1所述超快速氢致变色介孔wo3薄膜，其特征在于，所述催化剂层中的催化剂包括pt、pd、pt-pd合金、pd-au合金中的一种或几种；催化剂层的厚度为1nm～10nm。
4.根据权利要求1所述超快速氢致变色介孔wo3薄膜，其特征在于，所述酸液层的厚度为0.5～10nm；所述酸液层中的酸液包括浓度为2～10mol/l的硫酸、盐酸、磷酸、苯磺酸、甲磺酸中的至少一种。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述超快速氢致变色介孔wo3薄膜的制备方法，其特征在于，所述...
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