[发明专利]用于漏氢检测的钯合金电化学纳米氢传感器敏感层及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器敏感层及制作方法，更确切地说涉及一种用于漏氢检测的钯合金电化学纳米氢传感器敏感层及制作方法。属于氢传感器领域。 

背景技术

氢气是一种清洁高效的能源，在航天飞行、矿产冶炼和燃料电池动力车领域有着重要的应用。氢气是一种无色无味燃烧极限低(4％)且爆炸当量很高的气体，因此在氢的存储和利用的所有过程中都必需要快速准确的氢传感器特别是灵敏度高、响应时间快的氢敏感材料监测氢气泄露，杜绝安全隐患。传统的钯膜电化学氢传感器敏感层多基于钯金属层吸氢电子学性能改变的特性，多具有能耗高，响应时间长等缺陷。而敏感层材料为Sb₂O₅复合固态电解质材料、炭纳米管材料和ZnO₂等非钯基材料，其灵敏度较Pd基材料的氢传感器低(陶长元，唐金晶，杜军，孙才新.氢敏材料及氢气传感器的研究进展.材料导报，2005，19(2)：9-11)。本发明所述的氢传感器敏感层是一种新型的、尚未被报道的，特征是负载在绝缘体表面的纳米量级的钯合金材料，是一种快速灵敏抗干扰性强的低成本化学氢传感器敏感层。其基本手段是利用金属纳米钯合金颗粒吸氢膨胀相互接触从而改变膜层电阻这一特性进行氢气检测。由于钯合金纳米颗粒的吸氢膨胀率达11％，且吸氢前后膜层电阻变化巨大，因此能实现对低浓度氢的检测。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、性能稳定可靠、快速响应的漏氢检测电化学纳米氢传感器敏感层及制作方法。 

金属钯具有吸收氢分子并使自身发生膨胀变形的特征，膨胀率可达11％，而且这一特征是可逆的，因此可以用来实现漏氢检测。在未吸氢时，纳米结构 的电化学氢传感器敏感层粒子之间结合不充分，因此具有较高的电阻，随着纳米粒子吸收氢气而膨胀，相邻粒子之间结合的紧密性就会提高，导电性能也随之增加，完全吸收氢气后电阻可下降5～6个数量级，且一旦从环境中除去氧气，传感器吸收的氢气就会短时间内释放。在钯氢传感器敏感层中掺杂质量分数为15％的镍，并使之合金化，提高了纯钯传感器抗毒化能力，稳定了氢传感器敏感层的相结构。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，通过化学还原法制得的碳负载的纳米级钯银或钯镍等粒子和使用硅烷偶联剂修饰的玻璃基体化学吸附钯合金纳米粒子，得到绝缘体负载的钯合金纳米颗粒漏氢传感器敏感层。 

现将技术方案的各步骤分述如下： 

本发明提供的敏感层是由纳米量级的钯镍或钯银合金，吸附在硅烷偶联剂修饰的玻璃基体上，其中纳米合金粒径5-80nm，厚度为20-150nm。其中钯镍或钯银合金是由质量百分数为85-94％的钯和质量百分数为15-6％的银或镍组成。 

本发明所述的硅烷偶联剂的组成通式为Y(CH₃)_nSiX₃，n为0-3的整数，X为可水解基团如氯、甲氧基、乙酰氧基等，Y为有机官能团，如乙烯基等。使用的的硅烷偶联剂具体为CH3(CH2)7Si(CH3)2C1、CH3Si(OCH3)2CH2CH2CH2SH)。 

本发明所述的敏感层的制备方法特征在于采用化学还原法制备钯合金纳米金属粒子，络合或包覆后采用化学吸附方法吸附到作为绝缘体的硅烷偶联剂玻璃基体表面； 

其中，所述的化学还原法使用的还原剂为抗坏血酸、硼氢化钠、高温氢气或乙二醇，所述的硅烷偶联剂通式为：Y(CH₃)_nSiX₃，n为0-3的整数，X为可水解基团如氯、甲氧基、乙酰氧基等，Y为有机官能团，如乙烯基等；具体的硅烷偶联剂如：CH₃(CH₂)₇Si(CH₃)₂Cl、CH₃Si(OCH₃)₂CH₂CH₂CH₂SH)。Pd-Ag敏感层采用柠檬酸络合或包覆，Pd-Ni敏感层采用十二烷基磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇400络合或包覆。络合或包覆是在0-125℃条件下还原剂硅烷偶联剂修饰的绝缘体表面。 

制备的具体步骤是：