钯基电极氢传感器原理和实验数据（上）

　　摘要：氢传感器是一种可以通过转换氢气的浓度得到一个电信号的转换器。这项应用的关键问题是氢气的检测和观察必须在不会爆炸的前提下。这项研究首先阐述了钯基氢气传感器的传感方式与原理。接下来，对不同氢气传感器的物理传感参数、测量范围、响应时间和恢复时间进行了审核。除此之外，还介绍了实用的高响应速度氢传感器。

       1.引言

　　因为氢气的低密度、高燃烧温度、无毒性、可燃范围广，氢气在汽车行业中被广泛应用为清洁能源。拥有一个高精度和高响应速度的氢气传感器来侦测空气中的氢气浓度非常重要，因为人的感官无法察觉到这种可燃气体。利用氢传感器来监控氢气浓度在很多的工业领域中都有持续需求，比如说化石燃料或火箭燃料的处理、氨和甲醇的合成过程等。在氢气浓度达到最低的可燃浓度前，氢泄漏的侦测在核反应堆、发电行业和通讯行业中也是必不可少的。在电焊和电镀中以及电池的关键特性参数中，测量氢气的浓度也是很重要的一个步骤。早期的氢气传感方式是基于质谱仪和气相色谱仪的，而利用质谱仪来监测的方法则是通过测量其在磁场中的偏移量。

       近年来，纳米材料和薄膜氢气传感器得到了巨大发展。氢气传感器是一种可以通过检测氢分子从而生成一个有用并合适的电信号的转换器装置。相对于早期的传感器，这类新型传感器的有很多优点，譬如说高响应速度、高便携性、相对较低的成本、以及集成电路。目前市面上总共有八种氢气传感器；这些传感器都是基于物理参数的，比如电阻、热导率、声学函数、机械学函数、光学函数、电化学和催化函数以及功函数。钯、镍、铂与他们的合成物经常被用作氢气传感器中的活性元素。这些活性材料在吸收了氢分子之后，会改变它们本身的物理参数；比如说，在金属氧化物半导体为基础的电容式氢传感器中，氢原子在金属栅中扩散并在钯氧化物表面上形成了一个偶极层。这一偶极层导致了活性元素的功函数的改变。氢气传感器的重要参数为响应时间、恢复时间、响应百分比（%）、灵敏度、选择性和可靠性。这篇文章的主要目的是阐述氢气探测的原理和当下主流技术的检测方法。除此之外，本文还对每一种氢传感器的物理参数、性能、和特性做了调研并综述了新研究的优势和近期取得的发展。

　　2. 检测方法

　　低于可燃范围的氢浓度测量对生产过程的监管和安全非常重要。氢气传感器的检测方法是基于电气特征（譬如电阻、导电性、电压等）、温度、传感器活性元素的光学和机械性质中的变化。上文提到的传感器是一种可以将这些变化转化为可侦测的电信号的转换器。氢传感器中使用的活性元素为一种可以与氢元素发生反应的催化材料，并与该元素相容且可溶于该元素。钯、铂、镍元素在氢传感器中被广泛应用为活性元素。由于它的可燃范围广（4% - 75%），我们在可爆范围之内（<4% = 40000 ppm）对氢传感器进行研究。我们的检测范围是将传感器暴露在氢气区域内的氢气浓度。为了达到高灵敏度和高响应速度，我们将氢传感器的检测上限设为几个ppm。在这项实验中，我们研究了两种不同的检测方式：基于钯纳米微粒的氢气检测方式和基于钯薄膜（作为活性元素）的氢气检测方式。我们将不同种类的氢气传感器的优点、发展前景、以及性能相互做了对比。

　　3. 钯基氢传感器

　　3.1 基于钯/碳纳米材料的氢传感器

　　目前在氢气传感器中，碳纳米材料，例如碳纳米管（CNT）和石墨烯纳米片（GNS），被广泛应用为活性元素/纳米级物体，或是单独使用，或是与钯元素结合使用。将钯元素与碳纳米材料结合使用的原理是基于活性元素中产生的电气特性的变化，活性元素与氢气的反应会升高传感器电阻。图1展示了基于电阻的钯/碳纳米管和钯/石墨烯氢气传感器的简略图。

图1：基于电阻的氢气传感器内部结构图（a）基于碳纳米管与钯纳米粒子的结合物（b）基于石墨烯与钯纳米粒子的结合物