山東理工研發(fā)高靈敏度的氫氣氣敏傳感器材料

近日，山東理工大學物理與光電工程學院功能分子材料實驗室研究生蔡令波在高靈敏度氫氣氣敏傳感器方面取得新進展，該研究采用水熱法通過調節(jié)ph值的手段，首次合成了具有準一維結構，高比表面的WO3納米梭，而后在其表面復合上了具有高催化性能的p型半導體PdO，制備出了n-WO3/p -PdO異質結構, 此異質結構對氫氣展現(xiàn)出非常好敏感性。復合摩爾比為PdO/WO3為(3 at%)時, 傳感器在150℃條件下展現(xiàn)出了最佳敏感性，其靈敏度響應值非常高，響應速度異?？?，對1, 5, 10, 20 和 50 ppm(1ppm=1/1000000)濃度的H2, 其靈敏度分別為(Ra/Rg) 1.3, 7, 23, 37 and 76, 響應時間分別為9s, 8s, 5s, 3s和1s. 研究成果以“Highly sensitive H2 sensor based on PdO-decorated WO3 nanospindle p-n heterostructure”為題發(fā)表在氫能源領域的國際權威期刊《International Journal of Hydrogen Energy》(中科院分區(qū)2區(qū)top，影響因子：4.939)上，通訊作者為景強、劉波教授。

圖1.文章首頁

圖2. (a) 準一維結構WO3納米梭的 SEM 掃描圖像，(b) n-WO3/p -PdO異質結界面 (c) 1-50ppm氫氣濃度下電阻變化測試曲線，(d)n-WO3/p -PdO異質結構能帶示意圖.

如圖所示，樣品呈現(xiàn)規(guī)整的梭狀結構，其長度為14.69μm，直徑約412nm, 通過PdO修飾之后的樣品在其表面形成了穩(wěn)定的異質結構。樣品的性能得到明顯的提升，最低探測濃度可以達到1ppm，對于1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm和50ppm 濃度的氫氣，其響應值分別為1.3, 7.0，23，37和76，響應時間分別為 9s, 8s, 5s, 3s和1s.

圖3. 氣體傳感機制示意圖

如圖3(a)&(b)所示，未復合的WO3納米梭在空氣中由于表面吸附氧從樣品表面捕獲電子導致樣品電阻上升，當樣品暴露于氫氣環(huán)境中時，氫氣與樣品表面的吸附氧離子反應，電子重新轉移到WO3中，電阻變低，樣品暴露于空氣與氫氣中的電阻之比被定義為傳感器的響應值(R=Ra/Rg). 通過Pd/PdO納米顆粒修飾的WO3納米梭，會在PdO和WO3界面形成耗盡層，由于耗盡層中沒有可移動的電子，使得樣品電阻相對于未經過修飾的樣品明顯提高，當傳感器暴露在氫氣中，電子經過表面吸附氧離子與氫氣的反應轉移到樣品中，耗盡層變窄，電阻下降。另一方面，由于異質結的形成以及Pd/PdO的催化作用使得氣敏性能得到明顯的提升。