一種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳感器的制備方法，屬于無機納米功能材 料氫氣傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002] 氫氣可通過水解等方法制備，屬于二次能源。氫氣燃燒性能好，發熱值高，燃燒后 只產生水，且能回收利用，清潔無污染，廣泛應用于工農業等諸多領域，是未來理想的新能 源。但氫氣易燃易爆，監測氫氣需用高靈敏、快速響應、重復性好、溫度應用范圍廣的傳感 器。常用的氫氣傳感器包括：半導體型、電化學型、光學型和熱電型四類，其機理是當氫分 子吸附到材料表面時，傳動器電阻或電導或電壓電流特性曲線或光學特性發生變化，從而 獲得測量數據。熱電型氫氣傳感器材料可以大致分為無機熱電材料和有機熱電材料，其中 無機熱電材料雖然適用于較大溫度變化的應用場所，有機熱電型氫氣傳感器材料具備響應 速度快、選擇性好、穩定性好、易于集成化等優點，光學型氫氣傳感器材料響應快速、穩定性 好、靈敏度高，電化學型氫氣傳感器雖然易于集成化，但這些氫氣傳感器均存在經過多次循 環之后就會出現基體材料脫落、起泡現象、壽命短、或者是制造成本高等原因。半導體型氫 氣傳感器靈敏度高、選擇性好、長期穩定性好，價格低廉，容易實現大批量生產等優勢，結構 簡單且有利于小型化和集成化。近年來，納米材料的特殊優勢如表面積效應，量子尺寸效 應和量子隧道效應引起了廣泛的探究，Pd、Pt、MoS2、Sn02、W0#PZnO等半導體納米材料已 經成功用于氫敏材料的研究。例如SimonFraserUniversity的BiJan.Miremadi等人 研究了MoSjfi米薄膜對氫氣的響應，發現M〇S2納米材料的電阻改變了將近三個數量級， 當氫氣的濃度達到1%含量時，對氫氣表現出了較高的靈敏度（1〇 3)，并且具有較快的響應 時間（10S-30S)和長期的穩定性，但是氫氣傳感器應用領域很廣，M〇S2納米薄膜對其它的 氣體也有響應，例如H2S等氣體，因此它的選擇性還有待提高("Ahighlysensitiveand selectivehydrogengassensorfromthickorientedfilmsofMoS2'，，Applied.Phys 1996;271-175.)。WangZ以及HuY等人研究了Nb205納米線的氫氣敏感性能，在2000ppm 濃度下響應時間為1.67min，由于其響應速度慢，在很多特殊場合難以實現快速響應的 要求，存在很多需要克服和解決問題（Fastandhighly-sensitivehydrogensensing ofNb205nanowiresatroomtemperature[J].internationaljournalofhydrogen energy, 2012，37(5): 4526-4532·)。進一步的，YangS以及HuY等人研究了氧化鉬 納米線的氫氣傳感器的問題，盡管在lOOOppm、室溫條件下響應時間可以達到14.ls，但是 由于其恢復時間有待優化，導致其應用受到限制（HighlyResponsiveRoom-Temperature HydrogenSensingofa-M〇03NanoribbonMembranes[J].ACSappliedmaterials& interfaces, 2015，7(17): 9247-9253.)。近年來氧化鉬（M〇03)作為一種過渡金屬半導 體材料，吸引了研究者的廣泛關注，在光電、氫氣傳感器器件等方面具有極大的潛在應用價 值。]?〇0 3化學穩定性很好，即使暴露在有各種化學物質和氣體的環境中，也不容易發生反 應，將其作為氫氣敏感材料可以提高傳感器的靈敏度和化學穩定性。合成納米材料的方法 有很多，一種采用水熱法自組裝技術制備的氧化鉬納米纖維紙作為敏感材料《一種氧化鉬 納米纖維紙及其制備方法》（【申請號】201510308204. 6)，其優良的均一性、大的表面體積比 以及優異的多空薄膜結構，可以提高氫氣傳感器的響應速度、靈敏度以及可重復性，極高的 表面體積比有助于提高傳感器的靈敏度和響應速度。水熱法自組裝技術合成工藝簡單、重 復性好，產量高，可實現大批量生產，并可在襯底上實現納米纖維紙的直接自發組裝。進一 步如直接在氧化鉬納米線纖維紙的表面濺射Pt/Pd電極，構建電阻型氫氣傳感器，是改善 穩定性、提高傳感器敏感性能的有效措施。一種在氧化鉬納米纖維紙的單側表面上濺射金 屬Pt/Pd納米顆粒陣列構成電極制作氫氣傳動器的設想及實踐，未見于已公開的文獻或專 利技術中。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對【背景技術】提出的問題，設計一種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳 感器的制備方法，是在基于發明專利《一種氧化鉬納米纖維紙及其制備方法》（【申請號】 201510308204. 6)制得的氧化鉬納米纖維紙的單側表面上，派射金屬Pt/Pd納米顆粒陣列 構成電極的氫氣傳動器制作方法，所述方法是先在氧化鉬納米纖維紙覆蓋金屬掩膜版，再 在真空磁控濺射設備內濺射Pt/Pd納米顆粒陣列構成電極，并將濺射完成后的氧化鉬納米 纖維紙從中間切斷，成為二個相同性能的氫敏元件，然后將各氫敏元件分別封裝到1C基座 中，一次即制得二個氫氣傳感器成品。制備方法工藝簡單、耗能低、制作過程無污染，制得 的氫氣傳感器成本低、能在常溫下工作，響應和恢復時間短、靈敏度高，性能穩定，可重復利 用，所述氫敏元件還可方便的集成在各種多路傳感器中。
[0004] 為了達到上述目的，本發明采用以下方案： 一種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳感器的制備方法，是在覆蓋有金屬掩膜版的氧化鉬納米 纖維紙上濺射金屬Pt/Pd納米顆粒陣列構成導電電極方法；所述制備方法包括步驟： ⑴取設定尺寸的氧化鉬納米纖維紙； ⑵選取設定尺寸的濺射金屬掩膜版，所述掩膜版上有12對叉指電極，并將金屬掩膜版 覆蓋在所述氧化鉬納米纖維紙上，構成基片； ⑶在所述基片上濺射金屬Pt/Pd納米顆粒陣列，制得帶導電電極的氫氣傳感器； ⑷濺射完成后，揭去金屬掩膜版，將濺射Pt/Pd納米顆粒陣列后的氧化鉬納米纖維紙 沿長度方向自中部切斷，成為二個性能相同的氫敏元件，再將二個氫敏元件分別封裝到二 個1C基座中，S卩加工出二個性能相同的氫氣傳感器；其特征在于：步驟⑶所述的在基片上 濺射金屬Pt/Pd納米顆粒陣列的工藝過程，按如下方法進行： A、 將基片置于真空磁控濺射設備的濺射室內，抽真空至真空度達到10 4量級時，再向 濺射室內充保護氣體； B、 通過流量調節裝置控制充入保護氣體的流量為（10~15)seem; C、 當真空磁控濺射設備的真空度為（3~5)Pa時，打開直流濺射總電源使目標靶能逐 漸起輝，起輝后，再逐漸放緩抽氣速度，使真空磁控濺射設備的真空度為（〇. 5~1)Pa; D、 濺射Pt或者是Pd電極，設定濺射功率為（70~80)W，濺射時間為（60~100)s。
[0005] 如上所述一種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳感器的制備方法，其特征在于：所述保護 氣體是氬氣，或者是其它惰性氣體。
[0006] 本發明的有益效果是：本發明采用標準磁控濺射方法在氧化鉬納米纖維紙單側表 面上派射金屬Pt/Pd納米顆粒陣列構成電極，相比傳統的塊體Pt或連續Pd薄膜或者單獨 的半導體納米材料傳感器為氣敏材料，這種氧化鉬納米纖維紙氫氣傳感器有較高的比表面 積，能較快的吸附氫氣并快速響應。基于這種氫氣敏感材料的傳感器有更高的靈敏度、更好 的響應速度及更好的恢復性能，并且重復性能好，能夠進行批量化并應用到實際的生產生 活中以檢測氫氣的泄漏情況，起到安全防護的作用。
【附圖說明】
[0007] 圖1是氧化鉬納米纖維紙實物的表面結構低倍SEM圖； 圖2是金屬掩膜版示意圖； 圖3是真空濺射后氧化鉬納米纖維紙示意圖； 圖4是氧化鉬納米纖維紙質氫敏元件封裝在1C基座中示意圖； 圖5是氧化鉬納米纖