基于肖特基接触的超低功耗室温氢气传感器研究

Hydrogen detection is of vital importance for safe production and use of this new green energy source. The high working temperatures of traditional metal oxide semiconductor gas sensors are dangerous for hydrogen since it is highly flammable. Hydrogen sensors decorated with noble metal catalysts usually exhibit low room-temperate sensitivity, catalyst deactivation and limited lifespan. Our preliminary research on hydrogen sensors based on Schottky barriers shows good results in high sensitivity, high selectivity and room-temperature-working availability. In this project, we will study basic scientific issues on promotion of stability and lifespan for hydrogen sensors, and the related mechanisms for the formation of stable and reliable Schottky barriers. We will emphasis on figuring out the scientific problems of technique bottlenecks for the practical application of hydrogen sensors, and setting up effective characterization techniques and methods for hydrogen sensors. Metal oxide acts as sensing material carriers, avoiding ‘hydrogen brittleness’ that usually occurs in traditional sensors and deteriorates the performance and lifetimes. The embedded micro structure can avoid direct contact of catalysts with air, further improving the selectivity, reliability and lifetimes. The project will study on multiple aspects, including the preparation of sensing materials, fabrication process of sensors, and characterization technologies of sensors with high precise and dynamic tests, to improve the performance for hydrogen sensors at room temperature, resolve the key scientific issues on technique bottlenecks of practical applications for hydrogen sensors, and extend the research methodologies and thoughts on high performance gas sensors.

为安全生产和使用氢气这种绿色清洁的能源，氢气的检测意义重大。传统的传感器较高的工作温度不适于检测氢气。修饰有贵金属催化剂的传感器还存在室温工作灵敏度低、易发生贵金属中毒、工作寿命短等问题。初步研制出的肖特基势垒氢气传感器具备高灵敏度、高选择性和可室温工作的特性。本项目主要研究提高氢气传感器稳定性和寿命的科学问题以及形成稳定、可靠肖特基势垒的机理，重点解决影响氢气传感器实际应用的技术瓶颈相关的科学问题并建立有效的氢气传感器的表征手段和方法。以金属氧化物为敏感材料载体避免了现传感器“氢脆”现象导致的传感器性能下降和寿命短。通过采用内嵌式微观结构避免了催化剂直接与空气相接，进一步提高氢气传感器的选择性、可靠性和工作寿命。从敏感材料制备、传感制作工艺和传感器的高精度动态表征等多方面研究提高室温氢气传感器的方法，解决突破氢气传感器实际应用的瓶颈关键科学问题，拓宽高性能气体传感器的研究方法与思路。

近年来，氢气作为一种清洁、高效的能源载体受到了广泛重视。实现准确、可靠的氢气室温检测对于保障安全，促进氢能产业发展具有重大意义。现有的金属氧化物室温氢气传感器在灵敏度、使用寿命等方面都无法与高温传感器相比。本项目以构建肖特基接触提高传感器的灵敏度为指导，制备了基于Pd-WO3的氢气传感器，其对0.3%的氢气响应为843，揭示了界面势垒对传感器性能的影响机制；采用光化学法制备了Pd-In2O3复合材料，得到了室温下对1%氢气具有4600万响应的室温传感器，探索了晶界和溢出效应对基于该材料的氢气传感器性能的影响机理；通过水热法合成Pd-WO3的室温氢气传感器，揭示了WO3对Pd颗粒形貌的影响及两者相互作用对传感器性能的作用机理；合成了Pt/Pd-WO3的氢气传感器，研究了传感器高选择性与纳米尺度的金属-半导体界面使前线分子轨道电荷转移的关系。在此研究的基础上，我们在高指数晶面SnO2乙醇传感器、氧化钨-氧化镍p-n异质结型氧化氮传感器、CeO2/PVP的声表面波湿度传感器、Sb-ZnSnO3型湿度传感器开展了大量研究工作，阐明了晶面能量对其乙醇催化氧化速率和响应特性的影响，揭示了半导体金属氧化物PN结界面效应对氧化氮响应特性的影响，发现了提高CeO2/PVP声表面波湿度传感器响应的机理，建立了Sb掺杂对ZnSnO3的形貌和湿敏特性的影响机制。在本基金的资助下，我们在钠离子电池负极方面开展了初步的研究，制备了性能优异的硫化锡/石墨烯复合材料、中空多孔碳纤维、电线管结构的TiO2-Sn@C复合纤维等钠离子电池负极，获批钠离子电池负极相关的国家自然科学基金一项。本项目的研究成果拓展了气体传感器的研究思路，为常温、高灵敏度、易燃易爆气体传感器的发展提供基础，为新型、便携式、高性能氢气传感器的产业化提供指导，为其他便携式传感器的发展提供借鉴。