论文部分内容阅读
Nafion可作为电化学气体传感器中的电解质,使得基于Nafion质子交换膜的气体传感器具备了室温响应、线性度高、安全性高、环境友好并具备小型化的可能,这一设计方案在燃料电池传感器中最为常见。目前通常使用的碳材料作为催化剂载体,其在电化学环境下存在腐蚀问题。选取合适的材料来代替碳材料无疑会扩宽Nafion燃料电池气体传感器的应用范围。过渡金属氮化物由于具备了高电导、耐腐蚀、耐高温及类贵金属的性质,是潜在的优异载体材料。目前,过渡金属氮化物在Nafion膜燃料电池气体传感器领域的研究依旧是空白。本文将创新性地采用两种典型的过渡金属氮化物(包括氮化钛、氮化钨)替代碳材料作为Nafion燃料电池气体传感器中的载体材料,研究了传感器的结构、组分、工作条件与其气体响应的关系。为过渡金属氮化物在质子交换膜气体传感器的应用提供实验依据。取得结果如下:1、由高温氨气气氛下处理含锌氧化物前驱体制成介孔TiN,并将其作为铂的载体材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描/透射电子显微镜(SEM/TEM)等多种表征手段确认得到的多孔形貌TiN均匀地负载了Pt纳米粒子。运用热压法制备基于Pt/TiN材料的质子交换膜气体传感器,用于室温下检测甲醇气体。与以Vulcan XC-72R碳黑为载体材料的传感器性能相比,Pt/TiN传感器对于50 ppm-500 ppm范围内甲醇气体检测的灵敏度为0.064μA/ppm,约为Pt/C传感器的6倍;对于500 ppm甲醇气体的90%响应和恢复时间分别为45 s和80 s。同时,Pt/TiN传感器具备较好的可重复性、抗湿性和长期稳定性。2、运用固相法制备介孔WN,并用乙二醇还原法负载Pt纳米粒子。通过多种表征手段对WN及Pt/WN进行表征分析,得到均匀负载Pt纳米粒子的介孔WN材料。通过热压法制备基于Pt/WN的Nafion膜燃料电池型气体传感器,并通过催化剂用量分组对比试验,探究最佳Pt负载量为0.30 mg/cm~2。Pt/WN气体传感器可用于检测2-200 ppm浓度范围的甲醇气体,对甲醇气体的灵敏度(0.037μA/ppm)是Pt/C气体传感器(0.009μA/ppm)的四倍。其对于100 ppm甲醇的响应为3.6μA,响应和恢复时间分别为60 s和77 s。此外,用WN替代碳材料的传感器对甲醇的响应具备优异的选择性、稳定性和抗湿性。本文结果表明TiN和WN作为质子交换膜气体传感器中催化剂载体时,能够大大提高传感器对于甲醇性能的灵敏度,同时器件的选择性和稳定性也得到了明显的提升。这为改变载体材料而优化气体响应性能提供了新方案,也展现了过渡金属氮化物在Nafion气体传感器领域中获得应用的良好前景。