石墨烯基铂纳米复合材料电流型氢气传感器的工艺设计与性能研究

发布时间：2017-06-16 04:06

  本文关键词：石墨烯基铂纳米复合材料电流型氢气传感器的工艺设计与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着全球经济和城镇化建设的高速发展,人们对能源的需求量日益增加,致使枯竭的石化资源难以满足人类发展的需要,因此清洁能源的开发和利用成为了当务之急。氢气作为一种理想的清洁能源气体,用途广泛,可用作高能燃料焊接或切割金属;利用其还原性在冶金工业中提炼贵金属;化工生产中氢气可作为重要的化工原料。然而,氢气是一种无色无味气体,人体感觉器官无法发现,且易燃易爆,遇火种时在空气中的爆炸极限范围广、下限低。出于安全考虑,在氢气的应用场所,必须严格监控其泄漏情况。因此,为了确保氢气在这些领域可以安全的使用,制备出灵敏度高、测量准确、响应快、稳定性好的传感器用来探测氢气浓度具有重要的作用。电化学型氢气传感器安全可靠、测量准确、响应快和功耗低等优点被广泛应用到氢气的检测中。本论文通过研究传感器电极制作工艺和组装,得出新型的电流型气体传感器制作流程。此外,采用湿化学方法制备石墨烯-铂(GS-Pt)纳米复合材料开展对电流型氢气传感器的一系列研究工作。主要工作按以下两部分进行:一、采用传统催化剂Pt-Ru纳米材料研究了电流型气体传感器的扩散电极制作工艺、传感器组装与测试。根据文献报道的研究方法作为基础,通过改进实验过程和参数获得多孔扩散电极,这种电极其表面催化剂具有均匀连续分布、机械强度高等特点。按照新组装方法制作出的传感器,利用氧化硅隔膜将三电极分开,提高了传感器的稳定性。获得的传感器具有高灵敏度、高稳定性以及快速响应/恢复等优点。经过测试、优化后,将性能优异的传感器与外电路板组成手持便携式气体检测报警器,这将为以后电化学气体传感器的生产制造提供帮助。二、采用温和的湿化学方法制备石墨烯,通过一步还原法将Pt纳米颗粒修饰到石墨烯表面,制备出GS-Pt复合纳米材料,并构造成新型电流型氢气传感器。该方法制作的传感器电极Pt的载量只有0.8 mg/cm2,相对于商业传感器大幅降低了贵金属Pt的使用量,但仍表现出高的气敏性能,灵敏度达到162 nA/ppm,检测下限低至1.5 ppm,响应时间仅为20 s,并且该传感器还表现出良好的线性关系、重复性和选择性。出现上述优异性能的原因可能是石墨烯本身具有气敏性能、导电性和为Pt、氢气的电化学反应提供大的比表面积、丰富的结合位点。此外,借用该方法可以将贵金属或过渡金属催化剂与石墨烯复合,制作成其他气体的电化学传感器。
【关键词】：电化学传感器 氢气 石墨烯 Pt纳米颗粒 电极
【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TP212
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 前言8-9
• 1.2 纳米材料9-13
• 1.2.1 纳米材料简介9
• 1.2.2 碳纳米材料9-12
• 1.2.3 碳基纳米材料的传感器应用12-13
• 1.3 电化学气体传感器13-14
• 1.3.1 电化学气体传感器的基本结构13-14
• 1.3.2 电化学气体传感器的性能特点14
• 1.4 基于石墨烯的氢气传感器14-16
• 1.4.1 氢气的检测意义14-15
• 1.4.2 氢气传感器简介15
• 1.4.3 石墨烯基在氢气传感器中的应用15-16
• 1.5 本论文的研究意义和研究内容16-18
• 第二章 电化学传感器的电极制作工艺和组装18-27
• 2.1 引言18-20
• 2.2 传感机理20-22
• 2.3 传感检测22-26
• 2.3.1 试剂和仪器22
• 2.3.2 电极制备22-23
• 2.3.3 传感器组装23-24
• 2.3.4 性能测试24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 石墨烯-Pt纳米复合材料的制备与传感性能研究27-37
• 3.1 引言27-28
• 3.2 实验部分28-29
• 3.2.1 试剂和仪器28
• 3.2.2 氧化石墨的制备28-29
• 3.2.3 石墨烯-Pt纳米复合材料的制备29
• 3.2.4 传感电极制作及传感器的组装29
• 3.3 结果与讨论29-36
• 3.3.1 氧化石墨和复合材料的形貌表征29-32
• 3.3.2 传感器的气敏性能32-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第四章 论文总结及展望37-38
• 参考文献38-45
• 致谢45-46
• 在校期间公开发表论文（著）及科研情况46

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本文编号：454336