[发明专利]氢气传感器及其制备方法、实现氢气检测的方法

说明书

本发明涉及一种氢气传感器及其制备方法、采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。上述氢气传感器和采用该氢气传感器实现氢气检测的方法，具有高灵敏度，制作简单。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种氢气传感器及其制备方法，以及采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。

背景技术

作为一种清洁的可再生能量载体，氢气被视为替代传统化石燃料的理想能源。随着氢气燃料电池技术的不断发展，如何确保氢气安全高效的生产、储存和使用，成为一个跨入“氢经济”时代的关键问题。但是，氢气有着极宽的爆炸极限(体积密度为4％-75％)和很低的引燃能(0.02mJ)。因此，氢气传感器对于氢气的应用是十分必要的。

氢气传感器主要包括利用电传感的传感器和光学氢气传感器。其中，光学传感器主要包括表面等离子体传感器和膜结构传感器。表面等离激元氢气传感器主要是基于金属纳米颗粒或者纳米结构的等离激元谐振效应。在氢敏金属纳米颗粒的谐振波长处，可以将入射光局域在其表面一个亚波长尺寸的区域。当氢敏金属纳米颗粒吸收氢气的时候，从金属态转化为金属氢化物态，介电常数随之发生改变，造成谐振波长的移动。通过对谐振波长的监控则可以实现对氢气的探测。

一般地，表面等离激元光学氢气传感器采用将金属纳米颗粒或者纳米结构制备在刚性衬底上，从而限制了氢敏金属纳米结构在吸氢过程中的体积膨胀，大大减弱了由结构几何形状诱导的光学响应。

发明内容

基于此，有必要针对如何提高氢气传感器的灵敏度的问题，提供一种氢气传感器及其制备方法，以及采用该氢气传感器实现氢气检测的方法。

一种氢气传感器，包括弹性衬底和位于所述弹性衬底上的氢敏材料纳米结构；所述弹性衬底的靠近所述氢敏材料纳米结构的表面具有纳米阵列结构，所述氢敏材料纳米结构与所述纳米阵列结构相互补。

在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构中所采用的材料选自钯、镁、钇及镍镁合金中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米阵列或二维纳米阵列。

在其中一个实施例中，所述氢敏材料纳米结构选自一维纳米槽阵列，且所述氢敏材料纳米结构的周期为300nm-100000nm。

在其中一个实施例中，所述一维纳米槽阵列中的槽的深度为50nm-1000nm。

在其中一个实施例中，所述一维纳米槽阵列中的槽的开口宽度为150nm-400nm。

在其中一个实施例中，所述弹性衬底包括依次层叠的第一弹性衬底和第二弹性衬底，且所述第二弹性衬底的杨氏模量大于所述第一弹性衬底的杨氏模量。

在其中一个实施例中，所述第一弹性衬底的厚度为0.5mm-10mm，所述第二弹性衬底的厚度为5μm-100μm。

一种上述氢气传感器的制备方法，包括以下步骤：

在刚性衬底上形成粘附膜；

在暗室条件下，在所述粘附膜上形成光刻胶层，并对所述光刻胶层进行处理，使得所述光刻胶层具有纳米光栅结构；

将液态弹性材料和固化剂进行混合，搅拌均匀后，得到混合液体，并将所述混合液体涂覆在在所述纳米光栅结构上，对所述混合液体进行烘干和固化，得到弹性衬底；

将所述弹性衬底和处理后的光刻胶层进行剥离后，所述弹性衬底上形成纳米阵列结构；

在具有所述纳米阵列结构的所述弹性衬底的表面上沉积氢敏材料，形成氢敏材料纳米结构。