CN107290397A - 一种氢气传感器的制备方法及氢气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：S1，分别称量预定质量的二氧化钛和氧化铟，并将二者进行混合；S2，将在S1中称量得到的二氧化钛和氧化铟的混合物进行球磨，从而得到均匀混合的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末；S3，称取预定质量的经过球磨后的粉末，然后对粉末进行压片成型；S4，将压片成型的压片400‑800℃进行热处理，热处理时间介于2‑4小时之间；S5，对经过热处理工艺的压片制作电极，并得到氢气传感器。本发明提供的氢气传感器的制备方法容易实现，所述二氧化钛和所述氧化铟均为普通的纳米颗粒，原材料的来源广泛。本发明还提供一种氢气传感器。

Description

一种氢气传感器的制备方法及氢气传感器

技术领域

本发明涉及氢气传感器的技术领域，特别地，涉及一种氢气传感器及所述氢气传感器的制备方法。

背景技术

新世纪以来，世界能源的消耗量急剧增加，使得石油和煤矿等原始资源日益枯竭，并且随着人们环保意识的加强，这些污染环境的能源越来越不被接受，各种替代能源必将出现。氢气作为新能源的一种，具有燃烧产物是水，没有污染；燃烧热大，放热多；来源广泛，可再生等优点，当前国际市场上氢气用量是很大的，而且以每年大于8％的速率增长。但是氢气容易爆炸，储存十分危险，对于氢气的安全问题急需解决。因此，研究气体传感器对氢气的检测具有重要意义。

氢气传感器的分类主要有半导体型传感器、热电型传感器和光纤传感器，其中，利用金属氧化物半导体材料制备的气敏传感器因具有灵敏度高、响应快、成本低、寿命长的优点，近年来得到了广泛的应用。

二氧化钛是一种N型半导体金属氧化物，其价廉易得、无毒、催化活性高、氧化能力强、稳定性好，是一种常用气敏传感器材料。当前二氧化钛对于氢气检测的研究，不仅二氧化钛多孔结构制作方法复杂，掺杂物质繁多，而且传感器的检测多在高温高真空的环境。通常二氧化钛传感器随着温度降低，其灵敏度降低，响应时间和恢复时间随着温度降低会急剧增加。此外二氧化钛传感器的恢复性能很差。

因此提供一种能够常温检测、灵敏度高且恢复时间短的氢气传感器十分有必要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种能够常温检测、灵敏度高且恢复时间短的氢气传感器以及该氢气传感器的制备方法。

一种氢气传感器的制备方法，包括如下步骤：S1，分别称量预定质量的二氧化钛和氧化铟，并将二者进行混合；S2，将在S1中称量得到的二氧化钛和氧化铟的混合物进行球磨，从而得到均匀混合的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末；S3，称取预定质量的经过球磨后的粉末，然后对粉末进行压片成型；S4，将压片成型的压片400-800℃进行热处理，热处理时间介于2-4h之间；S5，对经过热处理工艺的压片制作电极，并得到氢气传感器。

优选的，所述二氧化钛为锐钛矿相或者金红石相，或者所述二氧化钛为锐钛矿和金红石相的混合物。

优选的，经过球磨后的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末的粒径介于10-100纳米之间。

优选的，所述述氧化铟的质量与所述二氧化钛和所述氧化铟的总质量之比介于0-20％之间。

优选的，在步骤S1之前，还包括将所述二氧化钛置于450℃的温度保温1小时，以及将所述氧化铟置于600℃保温1小时。

优选的，在步骤S3和S4之间，还包括将所述压片先置于100℃的环境中保温1小时的预处理步骤。

一种氢气传感器，包括压片以及Pt电极，所述Pt电极设置于所述压片一侧的表面，所述压片由所述二氧化钛粉末和氧化铟粉末混合后压制形成，并且所述氧化铟粉末与所述二氧化钛粉末和所述氧化铟粉末的总质量之比介于0-20％之间。

优选的，所述压片呈圆形，其直径为16毫米，厚度为2毫米。

优选的，所述Pt电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均设置于所述压片同一侧的表面，并且二者平行间隔设置。

优选的，所述第一电极和所述第二电极均为长方形。

本发明提供的氢气传感器可以在常温下进行检测，不仅能够检测到的氢气浓度范围广，并且响应和恢复快速，灵敏度高。另外，本发明提供的氢气传感器的制备方法容易实现，所述二氧化钛和所述氧化铟均为普通的纳米颗粒，原材料的来源广泛。

附图说明

图1是本发明提供的氢气传感器的结构示意图。

图2为实施例一中提供的压片传感器在不同氢气浓度下的响应恢复曲线图。

图3为实施例一中提供的压片传感器在1000ppm浓度氢气下的响应恢复曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请参阅图1，是本发明提供的氢气传感器的结构示意图。本发明提供一种氢气传感器100，所述氢气传感器包括压片10和Pt电极20。所述Pt电极20设置于所述压片10一侧的表面。

所述压片10的原料包括二氧化钛粉末和氧化铟粉末，并且所述氧化铟粉末占所述二氧化钛粉末和所述氧化铟粉末总质量的0-20％。预定比例的所述二氧化钛粉末和所述氧化铟粉末充分混合，然后进行压片成型，进一步于进行400-800℃进行热处理即得到所述压片10。

所述压片10呈圆片状，并且所述压片10的直径为16毫米，厚度为2毫米。当然，在其他的实施方式中，所述压片10还可以为其它形状以及其它尺寸，本发明对此不做限定。

所述Pt电极20设置于所述压片10的顶部表面。所述Pt电极20包括第一电极21和第二电极22。所述第一电极21和所述第二电极22均呈长方形形状，并且二者之间间隔预定的距离并且呈平行设置。在本实施方式中，所述第一电极21和所述第二电极22之间间隔5毫米设置。当然，在其他实施方式中，所述第一电极21和所述第二电极22之间还可以间隔其它距离，本发明对其不做限定。

对所述氢气传感器100的测试方法如下：

在本发明中采用静态配气法对所述氢气传感器100进行测试。其中环境为测试温度25℃，相对湿度为25-30％RH。

首先将氢气和氩气进行混合形成混合气体，所述混合气体中的氢气的浓度介于50-1000ppm之间，所述混合气体的流速控制为50sccm。

将所述氢气传感器置于混合气体的流速为50sccm的环境中，当然，在其他的实施方式中，所述混合气体的流速还可以设置为其它数值，本发明对此不做限定。所述氢气传感器100可以吸附氢气，吸附氢气后的所述氢气传感器100的电导率升高。当然，当氢气传感器100脱附氢气时，此时所述氢气传感器100的电导率降低。当所述氢气传感器100吸附氢气时，所述氢气传感器100可以得到自所述氢气转移的电子，从而提高所述氢气传感器100的导电率。具体地，所述氢气传感器100中的二氧化钛的导带得到自所述氢气转移的电子，并在所述压片10的表面积聚，从而增强了所述氢气传感器100的导电率。

同样的，当所述氢气传感器100脱附氢气时，所述氢气传感器100释放得到自所述氢气转移的电子，此时所述氢气传感器100的导电率降低。具体地，所述氢气传感器100中的二氧化钛的导带失去自所述氢气转移的电子并转移至氢离子，此时所述氢气传感器100的导电率会降低，最终恢复为初始的数值。

本发明的提供的氢气传感器的制备方法包括如下步骤：

S1，分别称量预定质量的二氧化钛和氧化铟，并将二者进行混合；

分别称取预定质量的二氧化钛和氧化铟，然后将所述二氧化钛和所述氧化铟进行混合。其中述氧化铟的质量占二者的总质量介于0-20％之间。在本发明中，所述二氧化钛可以为锐钛矿相的二氧化钛或者金红石相的二氧化钛，也可以为锐钛矿相的二氧化钛和金红石相的二氧化钛的混合相。

在进行步骤S1之前，还可以包括对所述二氧化钛和所述氧化铟的退火处理步骤。具体地，将所述二氧化钛置于450℃的温度保温1小时然后自然冷却。将所述氧化铟置于600℃保温1小时然后自然冷却。

S2，将在S1中称量得到的二氧化钛和氧化铟的混合物进行球磨，从而得到均匀混合的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末；

在本发明中，将所述二氧化钛和所述氧化铟的混合物放入玛瑙球磨罐中进行球磨，其中球磨罐的转速介于300-400r/min，球磨时间介于4-6小时中间。所述二氧化钛和所述氧化铟进行球磨后会变为粉末状，并且此时所述二氧化钛和所述氧化铟形成的粉末会充分、均匀的混合。所述粉末的粒径介于10-100纳米之间。当然，在其他的实施方式中，所述球磨罐还可以为其它类型的球磨罐，比如二氧化锆球磨罐等，本发明对此不做限定。

S3，称取预定质量的经过球磨后的粉末，然后对粉末进行压片成型；

具体地，根据预先的设计称取预定质量的经过球磨后的粉末，然后将称取后的粉末放入压片模具中，然后采用压片机进行压片成型。

在本发明中，称取的粉末质量为1克，然后将所述粉末放入压片模具中，最后利用压片机进行压制成型。其中所采用的压片机的压力采用8-12Gpa，压制的时间为3-7分钟。

S4，将压制成型的压片400-800℃进行热处理，热处理时间介于2-4小时之间；

所述压片采用马弗炉进行热处理，即将所述压片置于所述马弗炉中进行热处理。所述压片的热处理温度介于400-800℃之间。在本步骤之前，所述压片还进行了预热处理步骤，即先所述压片置于所述马弗炉中升温至100-200℃之间的任一温度保温处理1-2小时，然后再将所述马弗炉升温至400-800℃，并保温2-4小时。

S5，对经过热处理工艺的压片设置电极，并得到氢气传感器。

在本发明中采用磁控溅射的方式对经过热处理工艺的所述压片设置电极。具体地，采用磁控溅射的方式对经过热处理的压片表面溅射一层Pt电极。在本发明中，所述Pt电极的个数为两个，所述两个Pt电极均为长方形且互相平行设置，所述两个Pt电极之间的距离为5毫米。

接下来将结合具体实施例对所述氢气传感器的制备方法作进一步描述。

实施例一

首先将二氧化钛与纳米氧化铟进行混合，其中所述二氧化钛为锐钛矿相的二氧化钛，所述氧化铟占所述二氧化钛和所述氧化铟总质量的10％。将配置好的所述二氧化钛和所述氧化铟置于玛瑙球磨罐中进行球磨，所述玛瑙球磨罐的转速为300r/min，球磨时间6h；

然后将经过球磨的后的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末称量1g，并置于压片模具，然后利用压片机在10Gpa的压力下压制5分钟形成压片；

然后将所述压片进行热处理，先将温度升至100℃保温2h，然后再升温至600℃保温4h；

将经过热处理的压片表面溅射一层Pt电极，其中所述Pt电极的个数为两个，且两个所述Pt电极之间的距离为5毫米，最终得到氢气传感器。

请同时参阅图2和图3，在100ppm、500ppm和1000ppm浓度氢气下，传感器的响应时间均小于10s；随着浓度提高，传感器的恢复时间逐渐减少，尤其在1000ppm浓度的氢气下，恢复时间为2.6s，表现出异常优秀的气敏性能。从图中可以看出本实施例中制备的压片在本实验条件下对不同浓度氢气均具有优异的气体响应和恢复性能。

实施例二

首先将二氧化钛与纳米氧化铟进行混合，其中所述二氧化钛为金红石相的二氧化钛，所述氧化铟占所述二氧化钛和所述氧化铟总质量的10％。将配置好的所述二氧化钛和所述氧化铟置于玛瑙球磨罐中进行球磨，所述玛瑙球磨罐的转速为400r/min，球磨时间4h；

然后将经过球磨的后的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末称量1g，并置于压片模具，然后利用压片机在8Gpa的压力下压制7分钟形成压片；

然后将所述压片进行热处理，先将温度升至150℃保温1h，然后再升温至400℃保温4h；

将经过热处理的压片表面溅射一层Pt电极，其中所述Pt电极的个数为两个，且两个所述Pt电极之间的距离为5毫米，最终得到氢气传感器。

实施例三

首先将二氧化钛与纳米氧化铟进行混合，其中所述二氧化钛为锐钛矿相的二氧化钛，所述氧化铟占所述二氧化钛和所述氧化铟总质量的20％。将配置好的所述二氧化钛和所述氧化铟置于玛瑙球磨罐中进行球磨，所述玛瑙球磨罐的转速为350r/min，球磨时间5h；

然后将经过球磨的后的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末称量1g，并置于压片模具，然后利用压片机在12Gpa的压力下压制3分钟形成压片；

然后将所述压片进行热处理，先将温度升至200℃保温1h，然后再升温至800℃保温2h；

将经过热处理的压片表面溅射一层Pt电极，其中所述Pt电极的个数为两个，且两个所述Pt电极之间的距离为5毫米，最终得到氢气传感器。

实施例四

本实施例中的氢气传感器的制备方法与实施例一中的氢气传感器的制备方法基本相同。其不同之处在于：在本实施例中首先对所述二氧化钛和所述氧化铟进行了退火处理。具体地，将所述二氧化钛在450℃保温1小时，将所述氧化铟在600℃中退火1小时，。

实施例五

本实施例中的氢气传感器的制备方法与实施例二中的氢气传感器的制备方法基本相同。其不同之处在于：在本实施例中首先对所述二氧化钛和所述氧化铟进行了退火处理。具体地，将所述二氧化钛在450℃保温1小时，将所述氧化铟在600℃中退火1小时。

实施例六

本实施例中的氢气传感器的制备方法与实施例三中的氢气传感器的制备方法基本相同。其不同之处在于：在本实施例中首先对所述二氧化钛和所述氧化铟进行了退火处理。具体地，将所述二氧化钛在450℃保温1小时，将所述氧化铟在600℃中退火1小时。

实施例七

本实施例中的氢气传感器的制备方法与实施例二中的氢气传感器的制备方法基本相同。其不同之处在于：所述氧化铟占所述二氧化钛和所述氧化铟总质量的20％。

对比实施例

本实施例中的氢气传感器的制备方法与实施例一中的氢气传感器的制备方法基本相同。其不同之处在于：在本实施例中不包括所述氧化铟，所有的原料为锐钛矿相的二氧化钛。

本发明提供的氢气传感器可以在常温下进行检测，不仅能够检测到的氢气浓度范围广，并且响应和恢复快速，灵敏度高。另外，本发明提供的氢气传感器的制备方法容易实现，所述二氧化钛和所述氧化铟均为普通的纳米颗粒，原材料的来源广泛。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，分别称量预定质量的二氧化钛和氧化铟，并将二者进行混合；

S2，将在S1中称量得到的二氧化钛和氧化铟的混合物进行球磨，从而得到均匀混合的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末；

S3，称取预定质量的经过球磨后的粉末，然后对粉末进行压片成型；

S4，将压片成型的压片400-800℃进行热处理，热处理时间介于2-4小时之间；

S5，对经过热处理工艺的压片制作电极，并得到氢气传感器。

2.根据权利要求1所述的氢气传感器的制备方法，其特征在于：所述二氧化钛为锐钛矿相或者金红石相，或者所述二氧化钛为锐钛矿和金红石相的混合物。

3.根据权利要求1所述的氢气传感器的制备方法，其特征在于，经过球磨后的所述二氧化钛和所述氧化铟的粉末的粒径介于10-100纳米之间。

4.根据权利要求1所述的氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述述氧化铟的质量与所述二氧化钛和所述氧化铟的总质量之比介于0-20％之间。

5.根据权利要求1所述的氢气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括将所述二氧化钛置于450℃的温度保温1小时，以及将所述氧化铟置于600℃保温1小时。

6.根据权利要求1所述的氢气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S3和S4之间，还包括将所述压片先置于100℃的环境中保温1小时的预处理步骤。

7.一种氢气传感器，其特征在于，包括压片以及Pt电极，所述Pt电极设置于所述压片一侧的表面，所述压片由二氧化钛粉末和氧化铟粉末混合后压制形成，并且所述氧化铟粉末与所述二氧化钛粉末和所述氧化铟粉末的总质量之比介于0-20％之间。

8.根据权利要求7所述的氢气传感器，其特征在于，所述压片呈圆形，其直径为16毫米，厚度为2毫米。

9.根据权利要求7所述的氢气传感器，其特征在于，所述Pt电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均设置于所述压片同一侧的表面，并且二者平行间隔设置。

10.根据权利要求9所述的氢气传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均为长方形。