基于钯和铂纳米线的室温氢敏性能研究

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金属钯(Pd)和铂(Pt)广泛应用于催化和传感领域,但Pd和Pt膜材料对氢气的灵敏度低、响应速度慢,在实际应用中有一定的局限性;纳米线比表面积大,室温下与气体接触时能快速响应,能有效提高H2传感器的氢敏性能。本文采用光刻和电子束曝光技术,分别制备了单根Pd和Pt纳米线,研究了纳米线室温下对氢气的敏感性能,并分析了纳米线的室温氢敏机理,获得如下结果:1、采用光刻和电子束曝光技术,在Si衬底上制备了单根Pd纳米线,研究了纳米线室温下的氢敏性能。结果表明,Pd纳米线显著提高了室温下对氢气的响应灵敏度;当Pd纳米线厚度>20 nm时,在H2环境中其电阻变大,H2浓度为0.1%时响应灵敏度约为1%,这主要是由于在Pd的表面吸附裂解H2,然后质子氢逐渐往体内扩散,生成Pd Hx表现出块体的性能;而当Pd纳米线厚度<20 nm时,在H2环境中的电阻变小,响应灵敏度显著提升,0.1%H2浓度下达5.3%,由于显著的表面效应,H取代了原来吸附在Pd表面的O导致表面电子散射减弱,使其整体电阻减小。2、采用光刻和电子束曝光技术制备了单根Pt纳米线,并研究了纳米线室温下对氢气的敏感性能。结果表明,单根Pt纳米线在室温下对浓度为0.1%的H2响应灵敏度为8.5%,响应时间为10 s。Pt与H2快速反应导致反应电阻减小,主要是由于H取代了Pt表面的O导致表面电子散射减弱。3、通过Ga离子辐照轰击Pt纳米线,以增加纳米线上的晶界缺陷。研究发现,随着Ga离子辐照程度的增加,纳米线对氢气的响应逐渐减弱直至变为0,响应也变慢。具有大量晶界缺陷的Pt在与H2反应时,不止有表面反应,晶界也会吸附大量的H,内部电子散射增强,使其电阻上升。4、利用Ga离子辅助沉积技术制作Pt纳米线阵列并研究了氢敏测试。结果表明,在H2浓度为0.1%时响应灵敏度约为14.1%。微结构分析可知Pt晶粒尺寸约为3 nm,内部有大量晶界等缺陷,由此验证了当Pt纳米线晶界缺陷增多时,晶界缺陷吸附大量的H(电阻增大)主导Pt纳米线的氢敏反应。
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