基于铂—钯修饰石墨烯的氢气传感性能研究

发布时间：2017-10-25 05:06

  本文关键词：基于铂—钯修饰石墨烯的氢气传感性能研究

  更多相关文章： Pt-Pd纳米颗粒 还原氧化石墨烯 氢气传感器 传感性能

【摘要】：氢气作为清洁高效的能源在各行各业有着广泛的应用,但当它在空气中体积分数超过4%时遇明火即会发生爆炸,且氢气无色无味,泄漏时很难被察觉,因此开发具有良好性能的氢气传感器对其进行监测和报警显得尤为重要。石墨烯具有大比表面积和高载流子迁移率等独特性质,铂(Pt)和钯(Pd)金属对氢气具有较高的溶解性和选择性,将Pt-Pd纳米颗粒修饰到石墨烯表面制备氢敏材料,在构筑高灵敏度的氢气传感器方面具有良好的前景。本文使用改进Hummer法和超声剥离法获得了氧化石墨烯,通过一步还原法制备了铂-钯修饰还原氧化石墨烯(Pt-Pd/RGO)氢敏材料,Pt-Pd纳米颗粒均匀分散在RGO表面;利用光刻工艺加工得到便于氢气传感器微型化和集成化的微电极阵列,通过介电泳沉积法将Pt-Pd/RGO氢敏感薄膜沉积在微电极上,实现了Pt-Pd/RGO氢气传感器的组装;搭建了传感器性能测试系统,该系统能够模拟不同的实验环境并对氢气传感器性能进行在线检测。本文对Pt-Pd/RGO氢气传感器进行了一系列性能测试实验,包括不同氢气浓度下的I-V、灵敏度、重复性和稳定性等测试;探究了不同环境因素如温度、湿度、流速及气体载体等对该氢气传感器性能的影响,获得如下结论:1、对比RGO与Pt-Pd/RGO敏感薄膜在不同氢气浓度下的I-V特性曲线,验证了Pt-Pd纳米颗粒在氢气传感器中具有明显的选择性作用;2、在氢气浓度逐渐增加的情况下对传感器进行连续性传感性能测试,结果显示传感器具有良好的氢气传感性能,气体响应信号随浓度的升高而增大;3、随着循环的吸氢与脱氢过程,传感器表现出良好的重复性和稳定性;4、该传感器具有较高的响应灵敏度,常温下氢气最低检测限可达50ppm,传感器的响应时间随着氢气浓度的升高而缩短,恢复时间随着氢气浓度的升高而延长;5、不同环境因素下的研究结果表明:温度、湿度、气体载体等对传感器的性能具有很大影响,而一定范围内传感器的性能基本不受气体流速的影响。6、该传感器的氢气响应特性与Pd合金晶格膨胀、金属氢化物的形成及石墨烯表面载流子浓度的改变这三者的综合效应相关。
【关键词】：Pt-Pd纳米颗粒 还原氧化石墨烯 氢气传感器 传感性能
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ116.2;TP212
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 石墨烯氢气传感器的研究背景和意义9-12
• 1.1.1 石墨烯的结构、性能及应用9-10
• 1.1.2 氢气传感器简介10-12
• 1.1.3 石墨烯在氢气传感器中的应用12
• 1.2 石墨烯氢气传感器的类型12-18
• 1.2.1 石墨烯/单一金属氢气传感器13-15
• 1.2.2 石墨烯/合金氢气传感器15-16
• 1.2.3 石墨烯/金属氧化物氢气传感器16-17
• 1.2.4 石墨烯/聚合物氢气传感器17-18
• 1.3 石墨烯氢气传感器敏感薄膜的制备方法18-21
• 1.3.1 气相法18-20
• 1.3.2 液相法20-21
• 1.4 本文研究目的与研究内容21-23
• 1.4.1 研究目的21-22
• 1.4.2 研究内容22-23
• 第2章 铂-钯/还原氧化石墨烯氢敏材料的制备与表征23-31
• 2.1 引言23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 氧化石墨烯的制备23-25
• 2.2.2 Pt-Pd/RGO氢敏材料的制备25-26
• 2.3 结果与讨论26-30
• 2.3.1 表征手段26-27
• 2.3.2 氧化石墨烯的表征及分析27
• 2.3.3 Pt-Pd/RGO氢敏材料的表征及分析27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 石墨烯氢气传感器制作及测试系统搭建31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 石墨烯氢气传感器电极的设计与光刻法加工31-34
• 3.2.1 石墨烯氢气传感器电极的设计31-32
• 3.2.2 石墨烯氢气传感器电极的光刻法加工32-34
• 3.3 介电泳沉积法组装Pt-Pd/RGO氢气传感器34-38
• 3.3.1 介电泳基础理论34-35
• 3.3.2 Pt-Pd/RGO介电泳沉积原理35-36
• 3.3.3 Pt-Pd/RGO介电泳实验系统36-37
• 3.3.4 Pt-Pd/RGO介电泳实验操作步骤37-38
• 3.4 传感性能检测系统的搭建38-40
• 3.5 传感性能测试系统的动态配气法40-41
• 3.6 本章小结41-43
• 第4章 铂-钯/还原氧化石墨烯的氢气传感性能研究43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 不同氢气浓度下RGO与Pt-Pd/RGO的I-V特性43-45
• 4.3 Pt-Pd/RGO的氢气传感性能及机理探讨45-50
• 4.3.1 Pt-Pd/RGO传感性能表征方式45
• 4.3.2 Pt-Pd/RGO的氢气传感性能45-48
• 4.3.3 氢气传感机理探讨48-50
• 4.4 不同环境下Pt-Pd/RGO的传感性能研究50-56
• 4.4.1 温度对Pt-Pd/RGO传感性能的影响51-53
• 4.4.2 气体流速对Pt-Pd/RGO传感性能的影响53-54
• 4.4.3 气体载体及湿度对Pt-Pd/RGO传感性能的影响54-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第5章 总结与展望58-60
• 5.1 Pt-Pd/RGO氢气传感器的研究总结58-59
• 5.2 石墨烯氢气传感器的展望59-60
• 参考文献60-66
• 攻读学位期间的研究成果66-67
• 致谢67

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