基于隧穿原理的PdMx合金纳米粒子阵列氢气传感器研究

Hydrogen sensors are significant in connection with the development and expanded use of hydrogen gas. Due a new sensing mechanism based on tunneling, the performance of hydrogen sensor was improved to a higher level. However, the lost of measuring linear relationship and the response time delay in α-β phase transition region are innegligible aspects in developing sensor. This project proposes to fabricate hydrogen sensor based on PdMx alloy nanoparticle array by cluster beam deposition. The response behavior of this sensor will be investigated. It is intended to explore the effect of M component on α-β phase transition of hydride PdMx in nanometer-scale, to explore the quantitative relationship of factors in hydrogenation reaction, such as reaction time, size of nanoparticles and alloy ingredient. We plan to set up optimal design method of hydrogen sensor. Based on the above research, the problems of response time delay and non-linear response curve in the range of 1-10% hydrogen gas concentration are expected to be solved. The completion of the project will provide a simple and convenient way to development of hydrogen sensor, and will lay a solid foundation for the exploitation of hydrogen energy.

氢气传感器的开发是保障用氢安全的有效手段，也是发展氢能源的前提。基于量子隧穿原理的Pd纳米结构氢气传感器以其新的传感机理将氢传感性能提升到了一个新的高度。但是，这类氢气传感器仍然存在固有的缺陷：α-β相变区域，氢气浓度的绝对测量的线性关系完全丧失，并且对氢气的响应时间大幅延长。本项目采用可控的纳米粒子束流技术制备PdMx二元合金纳米粒子阵列，以此阵列对氢气的响应特性为研究对象，探究纳米尺度下金属M组分对金属氢化物PdMHx的相变过程的影响,揭示PdMx二元合金纳米粒子的氢化反应动力学中的反应时间、纳米粒子尺寸、纳米粒子的合金组分等诸多因素之间的定量关系，构建氢气传感器的优化模型。在此基础上，解决基于隧穿原理的Pd纳米结构氢气传感器在1-10%氢浓度的关键工作区域的响应速度变慢与线性度丧失的问题。本项目的完成将为氢能源的开发奠定坚实的基础，还可为氢气传感器的发展提供一条简单易行的途径。

开发有效的氢气探测技术对氢能源的发展起着至关重要的作用。在本课题的研究中，利用自主研发的双靶磁控等离子体气体聚集源并结合团簇束流技术成功制备了钯/镍二元合金纳米粒子及其阵列结构，并将钯/镍合金纳米粒子阵列作为重点研究对象，在氢气气敏特性的调控与氢化物相变规律方面展开了细致的研究工作，主要的研究进展如下：（1）以双靶共溅射磁控等离子体气体聚集源为工具，结合团簇束流技术，通过沉积过程中实时监测纳米粒子阵列电导变化实现了PdNi合金纳米粒子密排阵列的可控制备；（2）通过X射线光电子能谱和透射电子显微镜对制备的PdNix合金纳米粒子阵列的组分含量和形貌结构进行了表征，发现随着Ni组分含量的增加PdNix合金纳米粒子晶格常数变小；（3）将PdNix合金纳米粒子阵列用于构造基于量子输运的氢气传感器，并考察了不同组分含量的PdNix合金纳米粒子阵列吸氢动力学与吸氢过程的结构相变特征，发现Ni的含量的增加会导致氢化物相变区向高浓度区域拓展，传感器的线性响应范围获得了显著提高，响应速度也明显变快；（4）将PdNix合金纳米粒子阵列作为传感器芯片，研制了一套氢气传感器样机，该样机可用于探测ppm量级浓度的氢气。本项目探索了钯基二元合金纳米粒子阵列的可控制备方法，通过引入合金元素调控了金属氢化物的相变特性，为基于量子输运的氢气传感器提供了可行的优化性能方案与理论参考。