生长不同时间下所获得的Pd-Ag合金纳米粒子链的SEM形貌图
氢气作为还原性气体和载气已广泛应用于石化、电子、医疗、医药、航空等领域; 同时, 氢气作为无污染清洁能源的重要来源之一也已引起了人们的极大关注.但氢气分子很小,在生产、传输和使用过程中极易发生泄漏，空气中当氢气含量达到4.0%-74.4%(体积分数，下同)时, 遇明火即可发生强烈爆炸. 因此,对空气和特定环境中的氢气含量进行快速、准确的原位测量具有广阔的应用前景. 虽然氢传感器已得到广泛应用, 但目前商业化的氢传感器存在响应范围窄、使用温度较高、重现性差、可逆性不好、响应速率和灵敏度低以及假报警现象等缺陷. 长期以来, 人们一直努力寻找灵敏度高、选择性好、响应速度快、稳定性好、价格低廉、制作工艺简单、易集成化的氢敏材料及氢气传感器.
近年来, 纳米结构氢传感器由于尺寸小、灵敏度高、响应快和能耗低等优点而备受青睐. 目前, 国内外对纳米结构氢气传感器的研究主要集中在电阻型、热电型、光学型、电化学型等方面. 电阻型氢传感器的传感机理是, 当传感器暴露在氢气氛中,氢气的吸附与渗透会改变传感器中氢敏材料的电阻.而当传感器从氢气氛中移开,氢气会脱离氢敏材料, 使氢敏材料的电阻再次发生改变. 基于此传感机理, Varghese等用阳极电镀法制备了对H2敏感的二氧化钛纳米管, 该传感器对H2的响应可逆, 且响应时间约为150 s. Chandra等用阳极氧化铝模板法制备了ZnO纳米线, 纳米线在较低的温度(≤150℃)显示出优异的H2传感特性; Atashbar等在高定向石墨(HOPG)的“V”形凹槽内, 通过电化学沉积法制得Pd纳米线, 用这种Pd纳米线组装的电阻型传感器对H2有很好的响应,并可以检测出低于爆炸极限4.0%的H2; Penner等采用在高定向石墨台阶边上合成的有序钼和钯纳米线阵列来制成微型的氢传感器. 在氢体积含量为5.0%的氮气氛围中, 氢传感响应时间仅为70-75 ms, 这是迄今为止最快的响应时间.另外以Pd纳米粒子和纳米管为氢传感材料也有相关的报道. 然而, 由纯钯制得的传感器吸氢范围有限, 且在较高浓度的氢环境中易发生氢鼓泡, 从而使得纯钯制作的氢传感器在高氢浓度下容易失效. 因此, 有人采用钯合金替代纯钯制得氢传感器并取得了较好的效果, 主要原因是当在钯中添加银和镍等金属后能稳定钯氢合金, 有效地防止钯氢化合物从琢相向茁相的转化. Yu研究小组以高定向石墨和阳极氧化铝(AAO)为模板制备出了银的质量分数为16.0%-25.0%的钯-银合金纳线和镍质量分数为8.0%-15.0%的钯-镍合金纳米线, 其氢传感性能研究结果表明, 在室温条件下两种合金纳米线氢传感有着良好的可逆性和快速响应能力.但是由于目前制备出的纳米线、纳米链、纳米管的长度普遍较短,在实际应用中存在转移和接线问题,并且大多数氢传感器的检测范围有限, 这也制约了其在工业上的应用.
湖南大学化学化工学院余刚等人在碳纤维上采用三脉冲电沉积的方法制备出钯银合金纳米粒子链. 把表面覆盖有Pd-Ag合金纳米粒子链的碳纤维组装成氢气传感器. 采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱(EDX)表征了合金纳米粒子链的形貌和成分, 应用CHI660B电化学工作站测试其氢传感性能. 结果表明, 在钯、银离子摩尔比为15：1的电解液中,在-1.0- -1.5V下,成核5-40 ms; 在-0.25- -0.35 V, 生长200-300 s的条件下, 即可获得银的质量分数为16.0%-25.0%的钯银合金纳米粒子链阵列. 在室温下, 传感器对在0.30%-5.00%范围内的氢气有响应, 最快响应时间约为300 s, 灵敏度最高可达31.0%; 氢在0.30%-1.20%的范围内响应电流与氢气浓度成线性关系, 超过4.00%时响应电流不再随浓度的增加而变化;在低于3.50%的浓度下氢传感器的重现性良好.