Pt/Pd表面修饰WO3/SiO2纳米片生长机理及氢敏性能研究

Since electrical signals are used as sensing signals, traditional electrochemical hydrogen sensors are suffered from problem of safety and selective sensitivity. Optical fiber hydrogen sensor can be intrinsic safe by employing optical signal as sensing medium, but its performance can not meet the demand of practical application due to the limitation of hydrogen sensitive material. Therefore a key technology for optical fiber hydrogen sensor is associated with the development of hydrogen sensitive material with optimized sensing performance under normal temperature. This project proposes Pt/Pd surface-modified WO3/SiO2 nanolamellaes as novel hydrogen sensitive materials, and its growth mechanism will be studied in this work. The hydrogen response mechanism and hydrogen sensitive performance of the nano-material will be explored with fiber Bragg grating as sensing element. It aims to explain the theoretical correlation of thin film preparation process with micro-structure and hydrogen sensing performance by investigating the thin film micro-structure and hydrogen sensing performance. Basic research on thin film composition, micro-structure, temperature and relative-humidity resolved hydrogen sensing performance will be conducted. The aim is to achieve and real the key technologies on developing novel hydrogen sensitive materials with good performance, which can show better sensitivity, minimum detection limit, selectivity and stability under normal temperature.

由于采用的传感信号是电信号，传统的电化学氢气传感器在安全性和选择敏感性方面仍然存在一些难以克服的问题。光纤氢气传感器采用光信号作为传感信号具有本质安全性，由于氢气敏感材料性能的限制而难以得到应用，因此制备具有优良氢气敏感性能的敏感材料是实现光纤氢气传感器应用的关键所在。本项目提出Pt/Pd表面修饰WO3/SiO2纳米片薄膜作为氢气敏感材料，研究其生长机理。利用光纤光栅作为敏感元件研究其氢气响应机理和氢气敏感性能。通过探索新型氢气敏感材料的微观结构与氢气敏感性能的关系，阐明氢敏材料制备工艺、微观结构和氢敏性能的内在关联机理。研究该类新型氢敏薄膜的成分、微观结构、温度、湿度与氢敏特性之间的基础理论，探索通过控制氢气敏感材料的成分和微观结构，以制备出在常温下具有优良氢气敏感性能薄膜材料的关键技术，使氢气敏感材料在常温下的灵敏度、最低检测极限、选择性和稳定性有所突破。

根据本项目研究结果，确定了氢敏材料成分、微观结构和氢敏性能的内在联系，实现氢敏性能的可控制备。通过制备不同成分和不同形貌的WO3/Pt纳米片，同时合成了Pt和Pt/Pd表面修饰WO3/SiO2氢敏材料。通过在WO3中掺杂SiO2可以提高敏感材料的寿命，当氢气中敏感材料Pt: W: Si为2: 10:1时，氢气敏感材料具有较好的稳定性，并且灵敏度较高。在连续30天近600次1000ppm氢气重复性测试中，敏感材料仍然具有较好的稳定性。当敏感材料Pt: Pd: W: Si为2: 4:10:1时，敏感材料的响应能力降低。催化剂中引入Pd后响应时间变长，低浓度氢气响应能力变差，主要是Pd含量的增加会降低敏感材料的响应能力，因此催化剂Pt就可以保证敏感材料的选择性和稳定性。. 测试了WO3在催化剂作用下分别与氢气和氧气反应过程中释放热量的大小，结合XPS分析WO3反应前后的价态变化。测试结果表明在与氢气反应时放出整个过程的较少热量，与氧气反应放出大部分热量并生成水，实验结果表明WO3氢气反应机理为H+和e-双注入模型。该实验结果为解决WO3氢气反应机理提供了新的证据，并为提高WO3基氢气敏感材料的性能提供了新的理论依据。. 设计了新型光纤氢气检测系统，以表面富集Pt的WO3-Pd2Pt-Pt复合薄膜作为敏感材料，通过光加热系统可以去除敏感薄膜中的吸附水，使基于WO3-Pd2Pt-Pt复合薄膜的光纤氢气传感器的性能有重要突破：在空气中最低检测极限可以达到20ppm，分辨率可以达到5ppm；在氮气气氛中该传感系统最低检测极限可以达到10ppm,分辨率可以达到几十ppb。该传感系统指标均优于国内外已报道的同类型氢气传感器，并且具有较好的抗干扰能力。最新的传感系统，空气中分辨率可以达到2ppm,最低检测极限可以达到6ppm。经过进一步优化薄膜膜系结构和光路系统，可以进一步提高传感系统性能，相关结果为制备高灵敏度光纤氢气传感器提供了新方法。