[发明专利]基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法和应用。提供一种基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器，包括柔性衬底和Au@Pd纳米颗粒单层膜，其中柔性衬底表面印有纳米光栅结构，Au@Pd纳米颗粒单层膜覆盖在纳米光栅结构表面。其制备为：(1)将Au@Pd纳米颗粒变成疏水，并滴加到超纯水表面，柔性衬底插入其液面内；(2)将Au@Pd纳米颗粒聚拢到柔性衬底印有纳米光栅结构的一面区域至出现金属光泽的镜面，10s后以0.1mm/s速度脱离液面，蒸发后揭下柔性衬底即可。使用上述光纤氢气传感器进行氢气检测，响应速度快，稳定性好，测定0.1％的氢气浓度时响应速度可达3s。

技术领域

本发明涉及光纤氢气传感器技术领域，具体涉及一种基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法和应用。

背景技术

氢以其独特的优势，现已成为二十一世纪最重要的清洁能源载体之一。但氢气化学性质活泼，在氢能制取、贮存、运输和加注等各个环节中，泄漏的氢气极易导致重大事故，因此氢气的泄露监测必不可少。光纤氢气传感器是一种采用光作为氢气浓度信息传递媒介的传感器，具有本质安全、体积小及易遥测等独特优势，适用于各种危险复杂环境中氢气浓度的实时监测。

现有的氢气传感器类型主要包括：电阻式、催化燃烧式、热导式、电化学式及光纤式等。其中，光纤氢气传感器采用光作为信息载体、光纤作为传递介质，具有本质安全、体积小、重量轻、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀及易遥测等独特优势，是布设于储氢站、加注站、氢燃料电池仓、核反应堆等危险复杂的封闭环境中进行长期泄漏监测的一种最为理想的传感器，具有十分广泛的应用前景。

目前，光纤氢气传感器主要利用钯(Pd)或其复合材料氢敏感膜吸氢后物理性质(折射率、反射率、体积等)的变化，对光信号的强度、波长、光程和偏振态等进行调制，从而实现对环境中氢气浓度信息的感知。然而受制于氢气在Pd层中的扩散作用，传感器的灵敏度和响应速度间存在不可调和的矛盾。降低敏感膜厚度能够提高响应速度，但往往伴随着灵敏度的降低。这是由于更薄的敏感膜层减小了氢原子的扩散距离，降低了渗氢反应达到平衡的时间从而提高响应速度，但也相应地减少了参与光信号耦合调制的敏感材料总量，削弱了信号调制能力降低了灵敏度，使得传感器的综合性能无法得到改善。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是，针对上述现有光纤氢气传感器在灵敏度和响应速度上的不足，提供一种基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法以及该传感器实现氢气检测的方法，适用于氢气浓度变化的高灵敏度和高响应速度测量。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案如下：

提供一种基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器，包括柔性衬底和Au@Pd纳米颗粒单层膜，其中柔性衬底表面印有纳米光栅结构，Au@Pd纳米颗粒单层膜覆盖在纳米光栅结构表面。

按上述方案，Au@Pd纳米颗粒中金核直径为12-50nm。

按上述方案，Au@Pd纳米颗粒中钯壳平均厚度为1-10nm。

按上述方案，柔性衬底为单层结构，厚度为0.1-2mm。

按上述方案，柔性衬底材料为PDMS。

按上述方案，纳米光栅结构是二维结构，周期为416.6nm±10nm，槽深为110nm±10nm，占空比为50％，槽宽为208nm±10nm。

一种上述Au@Pd纳米颗粒的制备方法，具体步骤如下：

(1)将0.01wt％-0.1wt％氯金酸溶液加热至沸腾，加入1-10mmol/L柠檬酸钠溶液，剧烈搅拌0.5-2h，得到尺寸为12-50nm的金纳米颗粒溶液；