基于疏水透气涂层提升SnO2氢气传感器抗湿性能研究

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金属氧化物半导体氢气传感器由于其较快的传感响应恢复与灵敏度,在军事航空、汽车发动机、化工生产和半导体制造等领域都有着良好的应用前景,但抗湿稳定性差的缺点是该类传感器实际应用的重要瓶颈。因此,提升金属氧化物半导体气体传感器的抗湿性能已成为当前的研究热点。提升传感器抗湿性能策略主要包括:疏水透气包覆、掺杂羟基吸收剂及气敏材料表面氧吸附特性调控。其中,防止水分子接触气敏材料表面的疏水透气包覆已被广泛采用,但该包覆层存在降低目标气体的传质速率、牺牲气体传感器传感性能的缺点。因此,本论文采用疏水透气包覆策略,在开发高透气、高选择性涂层材料方面,开展了以下研究工作:(1)选择具备高气体渗透速率和强疏水性的含氟聚合物(Teflon AF-2400)作为疏水透气涂层,对氢气传感器进行改性。Teflon气体分离膜具有优异的水蒸汽隔离性能,利用其改性后的Sn O2氢气传感器依然保持了高的氢气选择性和动态线性传感响应度。同时,在整个湿度测试环境下,改性传感器响应至少可维持在干燥条件下响应的75%,而未改性的传感器响应最高只达到40%。另外,在氢气浓度为200 ppm和湿度测试范围为0-80%RH的测试条件下,改性传感器的响应变化系数值为7.2%,与其他疏水透气包覆材料相比,CV值相对较低。因此,传感器的抗湿稳定性得到大幅提高。本研究表明,Teflon可作为透气疏水涂层,提升金属氧化物半导体气敏传感器的抗湿稳定性能,实现了高性能膜材料和气体传感领域的交叉创新。(2)尽管Teflon气体分离膜能够使传感器抗湿稳定性得到显著提升,但其较低的分解温度,使其不能在金属氧化物最佳工作温度下使用。因此,仍需进一步探究和挖掘新的耐高温包覆层材料。金属有机框架(MOF)玻璃材料是一类兼具高温稳定性、疏水透气和成型性的新型微孔材料。本文设计合成兼具多孔结构和较低熔点的新型MOF(AFI-[Zn(Im)(b Im)]),考察了该材料的熔化行为、力学性能以及微孔结构。制备了基于MOF玻璃agAFI-[Zn(Im)(b Im)]的气体分离膜,膜的气体渗透性能良好。探索了采用agAFI-[Zn(Im)(b Im)]提升Sn O2氢气传感器抗湿性能的可行性。但目前氢气传感器抗湿稳定性提升不明显。
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