Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构调控及快速响应氢传感器基础研究

In the safe use of hydrogen, it's an important link to detect and monitor the hydrogen concentration. Therefore, it's a very important task to develop the hydrogen sensor with high sensitivity and high response. Aiming to the generally low sensitivity and response of the current hydrogen sensor, this project presents a novel Pb nanoparticles / TiO2 nanotubes composite structural hydrogen sensor correlated with the "break junction" sensitivity mechanism. In this project, the hydrogen sensing mechanism and dynamic response model of the Pb nanoparticles / TiO2 nanotubes composite structure will be established, on the basis of the hydrogen sensing mechanism and response dynamics of the quasi isolated Pd nanoparticles and TiO2 nanotubes. On the basis of the relationship between structure and properties of TiO2 nanotubes and Pd nanoparticles, through the design and preparation of TiO2 nanotubes, quasi isolated Pd nanoparticles, and device structure, achieving a breakthrough in the effective control of the Pb nanoparticles / TiO2 nanotubes composite structure and the key technologies. On the basis of the above work, the Pb nanoparticles / TiO2 nanotubes composite structural hydrogen sensor hydrogen sensitive response dynamics theory will be established, and the hydrogen sensor prototype devices will be developed. These work will lay the theoretical and technical foundation for the preparation of Pb nanoparticles / TiO2 nanotubes composite structural hydrogen sensor.

检测和监控氢气的含量是氢气安全使用的重要环节，因此，研究和开发高灵敏、高响应的氢敏传感器显得尤为重要。本项目针对目前氢传感器灵敏度、响应度普遍偏低的问题，提出了一种新型的基于"裂结"敏感机理的Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构氢传感器。项目从准隔离Pd纳米点和TiO2纳米管的氢敏机理及其响应动力学入手，建立Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构的氢敏机理及其响应动力学模型。从TiO2纳米管、Pd纳米点的结构与性能的关系入手，通过TiO2纳米管的设计与制备、准隔离Pd纳米点的设计与制备、器件结构设计与制备，在Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构的有效调控和关键技术方面取得突破。在此基础上，建立Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构氢传感器的氢敏响应动力学理论体系，研制出Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构氢传感器原型器件，为制备Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构氢传感器奠定理论基础和技术基础。

检测和监控氢气的含量是氢气安全使用的重要环节，因此，研究和开发高灵敏、高响应的氢敏传感器显得尤为重要。.本项目针对目前氢传感器灵敏度、响应度普遍偏低的问题，提出和设计了一种新型的基于“裂结”敏感机理的Pd纳米点（环）/TiO2纳米管复合结构氢传感器。从TiO2纳米管、Pd纳米点的结构与性能的关系入手，通过TiO2纳米管的设计与制备、准隔离Pd纳米点的设计与制备、器件结构设计与制备，在Pd纳米点/TiO2纳米管复合结构的有效调控和关键技术方面取得突破。在此基础上，开展了复合结构氢气传感器氢敏机理模型研究。.项目系统研究了阳极氧化各工艺因素对TiO2纳米管阵列的生长影响，制备了符合项目需求的大孔径、薄孔壁、排列规则的以锐钛矿晶型为主的TiO2纳米管阵列。在FTO导电玻璃衬底上成功制备了均匀形貌的TiO2纳米管阵列。采用了二次氧化法成功实现了TiO2纳米管薄膜的剥离与转移。成功实现了钛丝基底TiO2纳米管阵列的生长。优化后的复合结构氢气传感器在室温下具有较高的灵敏度和响应时间：复合结构中TiO2纳米管管径77nm，管口沉积的Pd纳米环厚度25nm，制备的复合结构氢气传感器室温下在0.8vol% H2浓度下响应时间可达3.8s，灵敏度92.05%。项目研究创新性的提出了“准隔离”Pd纳米结构的“裂结”物理模型。同时通过引入Al2O3超薄阻挡层，论证了复合结构氢敏响应性能还由Pd纳米环的催化作用和表面导通作用共同决定。.项目成功制备出Pd纳米环/TiO2纳米管复合结构柔性氢气传感器；设计和提出了一直新型的钛丝基底上Pd膜/TiO2纳米管复合结构氢传感器；设计和研究了PDMS/CNTs/Pd复合结构柔性氢气传感器；设计和研究了PTFE薄膜/CNTs/Pd复合结构柔性氢气传感器；研究了Ag纳米颗粒的修饰对于氢气传感器的灵敏度氢敏、响应时间的影响。.项目研制出具有自主知识产权的Pd纳米点（环）/TiO2纳米管复合结构氢传感器器件，并获得相关理论。这为后期研制高可靠、长寿命、低成本的快速响应氢传感器奠定了技术和理论基础，有利于提升和推进我国氢传感器的研制水平。