根据国家发改委和能源局颁布的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》知,氢能与燃料电池技术是重点创新任务之一。然而氢气无色无嗅且易燃易爆,氢能的安全存储和运输是目前亟须解决的问题,随着氢能源的深入研究及应用的日益广泛,开发对氢气极其敏感的气体传感器显的尤为重要。目前研究最广泛的一类传感器是基于n型金属氧化物半导体(MOS,如TiO2、SnO2、ZnO和CeO2等)的气体传感器。TiO2因具有成本低、制作简单、灵敏度高、物理和化学稳定性好等优点而成为最佳的氢敏材料之一。同时,CeO2因其丰富的表面晶格氧空位、Ce3+与Ce4+之间较低的氧化还原电位等优点,成为研究者广泛关注的氢敏材料。但是较高的工作温度和较慢的恢复时间限制了 n型MOS传感器的进一步广泛应用。因此,本论文以降低氢气传感器的响应温度和缩短恢复时间为目标,从贵金属修饰、微观结构设计和半导体异质结构建方面进行研究。具体内容如下:(1)考虑到Pd具有强吸氢能力,我们采用水解-水热法制备了不同质量比的Pd修饰锐钛矿TiO2纳米颗粒,并将其应用于氢气传感器。研究发现,Pd修饰Ti02纳米颗粒传感器在较宽温度范围内(260～440 ℃)对氢气均表现出n型响应。最优情况下,1 wt%Pd-TiO2传感器在380℃对1000 ppm氢气的最高响应为6.87,响应时间和恢复时间都为1～2s,可同时兼具快速响应和快速恢复。Pd修饰TiO2纳米颗粒氢敏性能增强的主要原因:Pd修饰的样品的比表面积较大,为气体和反应介质提供了更多的活性位点;Pd与TiO2界面处形成肖特基势垒,促进了氢敏过程中反应的快速进行;Pd催化剂的修饰使活化能降低。(2)钯源价格较贵,难以广泛应用,而银成本较低,并且是一种良好的催化剂也具有优异的导电性能。基于此,我们选用Ag替代Pd修饰TiO2,同时借助TiO2纳米片独特的二维结构优势,以期在降低成本的同时进一步提高TiO2对氢气的传感性能。我们采用一步水热法制备了不同复合比例的Ag纳米颗粒@TiO2纳米片,并将其应用于氢气传感器。研究发现,Ag@TiO2传感器在较宽温度范围内(280～440℃的)对氢气均表现出n型响应。最优情况下,1 wt%Ag@TiO2传感器在340℃对1000 ppm氢气的响应时间为1～2 s,恢复时间为4 s左右,最高响应为14.4,比Pd-TiO2纳米颗粒(6.87)提高了约1倍。Ag@TiO2传感器增强的氢敏性能主要由于:Ag与TiO2接触面为反阻挡层,可快速传输电子;Ag纳米颗粒作为催化剂可以降低活化能,促进气体分子的吸附;通过水热法合成的Ag纳米颗粒@TiO2纳米片表面富含大量氧空位缺陷,可促进氢敏反应的进行。(3)为了改善CeO2载流子浓度较低的缺点,我们将TiO2引入,采用水热法制备不同Ti/Ce摩尔比的TiO2@CeO2纳米棒,进一步采用化学沉淀法得到Pd修饰的TiO2@CeO2纳米棒,并将其应用到氢气传感器中。研究结果表明,Pd修饰的TiO2@CeO2纳米棒传感器对氢气表现出较好的低温传感性能。最优的情况下,在最佳响应温度180℃下,TCP-2传感器对500 ppm氢气的响应为3.81,响应和恢复时间分别约为5和12 s。TCP-1对氢气的响应为p型响应,TCP-2、TCP-3和TCP-4对氢气表现出n型响应。Pd修饰TiO2@CeO2传感器对氢气的低温响应是由Pd对氢气的强吸附和解离效应、TiO2-CeO2的n-n同型异质结的界面效应及TiO2-CeO2表面存在的氧化物缺陷对氧离子的强吸附效应共同作用的结果。