[发明专利]一种混杂石墨烯膜、贵金属粒子和金属氧化物材料的集成氢气传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器领域，具体涉及一种混杂石墨烯膜、贵金属粒子和金属氧化物材料的集成氢气传感器及其制备方法。

背景技术

氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用；同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼，特别在军事国防领域有着极为重要的应用价值。但氢气分子很小，在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏。由于氢气无色、无味、易爆，且着火点仅为585℃，空气中含量在4％一75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用中必须利用高灵敏度氢气传感器对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。

目前的氢气传感器主要以半导体材料为主，电阻型半导体氢气传感器主要以SnO₂，ZnO，WO₃等金属氧化物为气敏材料。金属氧化物是一种半导体材料，当氢气在金属氧化物表面吸附后，氢气作为施主释放出的电子与化学吸附层中的氧离子结合，造成半导体金属氧化物材料中载流子浓度发生变化，进而导致材料的电阻发生变化。半导体金属氧化物氢传感器是通过测量传感器电阻值的变化获得氢的含量。然而基于金属氧化物气体传感器对还原性气体普遍响应灵敏度低。特别重要的是金属氧化物传感器可对大多数还原性气体敏感，故对氢气检测的选择性较差。

金属氧化物氢气传感器低的灵敏度可采取表面改性、掺杂等方法来改善。通过表面贵金属粒子掺杂来优化气敏性能成为改善气敏材料敏感度的主要方法。当贵金属粒子均匀分布在金属氧化物材料表面后，为反应气体提供活性中心，不仅降低反应活化能，同时能增加吸附气体的浓度和增强反应过程中电子向氧化锌的移向，使得金属氧化物晶界势垒降低，电导增大，提高了材料的灵敏度，同时降低了材料与气体的反应温度。然而，对金属氧化物的表面改性、掺杂在全方位地提高了敏感材料对氢气和其他气体灵敏度的同时， 仍然不能解决对氢气检测的选择性， 这样需要新的技术来涵盖选择性的问题。

新兴的二维石墨烯是目前众多纳米材料中倍受关注的研究和产品对象之一。与传统材料相比，石墨烯具有单原子层的厚度、优异的力学、热学和电学性能。石墨烯不仅可以作为构建其他碳质材料的基本结构单元，同时又可作为填充材料来制备性能优异的新型复合材料和理想的非金属催化剂载体材料。石墨烯具有原子层的厚度、孔径分布均匀、超高机械强度和高的热导率，几乎是理想的气体膜分离材料。由于石墨烯的物理尺寸（< 0.2nm）小于所有常用气体分子的动力学直径，石墨烯却被广泛认为对气体和液体分子是完全不渗透的。

发明内容

为了同时提高氢气传感器的灵敏度和选择性，本发明提供一种集成氢气传感器及其制备方法，该传感器混杂石墨烯、贵金属粒子和金属氧化物，贵金属粒子-金属氧化物复合结构用来提高氢气传感器的灵敏度；利用石墨烯的孔径尺寸只允许氢气通过石墨烯薄膜孔径与敏感材料反应，这样利用覆盖石墨烯来提高氢气传感器的选择性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：

一种集成氢气传感器，包括基片、加热电极、导热绝缘层、检测电极，加热电极位于基片上，导热绝缘层在加热电极与检测电极之间，其特性在于：还包括沉积在检测电极上的金属氧化物薄膜，金属氧化物薄膜表面上沉积有贵金属粒子，石墨烯膜覆盖在沉积有贵金属粒子的金属氧化物薄膜上。

所述贵金属粒子为单原子覆盖在金属氧化物薄膜上，覆盖度为0.05%-10%，颗粒尺寸为0.2nm-0.4nm，随机均匀排列。（覆盖度以贵金属粒子覆盖在金属氧化物薄膜表面的面积占金属氧化物薄膜表面积的百分比来表示）

所述金属氧化物薄膜厚度为10纳米到2微米。

所述石墨烯膜厚度为单层至几个原子层，厚度在0.5-1.2纳米。

所述贵金属粒子是Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ir中的一种或几种。