一种表面覆盖Pt电极的TiO2纳米管阵列室温氢气传感器

摘要

本发明公开了一种室温氢气传感器，具体涉及表面覆盖Pt电极的TiO2纳米管阵列氢敏元件的制备与性能检测。本发明所述的氢敏元件的制备方法为：将裁剪合适的高纯度工业用Ti箔片经严格清洗后置于氟化铵和乙二醇水溶液中阳极氧化处理3h，制备出表面均匀、高度有序的TiO2纳米管阵列。采用表面覆盖Pt电极的TiO2纳米管阵列作为氢敏元件，提高了传感器灵敏度、响应速度，降低了工作温度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种室温氢气传感器，具体涉及氢气传感器中表面覆盖Pt电极 的TiO₂纳米管阵列氢敏元件的制备与性能检测。

背景技术

氢气是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。作为一种理想的新型能源， 其在化学、食品、电子等工农业生产方面具有广泛的应用。为了保障在各种含 氢工农业生产过程中，氢气能源的使用、转移和储存等应用方面的安全性，研 究开发具有良好氢敏性能的氢气传感器已经成为人们日益关注的问题。目前金 属氧化物半导体(SnO₂、WO₃、ZnO)氢气传感器已成为研究的热点，它是利 用半导体氢敏元件的电阻或电导在氢气氛下的变化对氢气进行检测。但目前此 类传感器的工作温度较高、灵敏度较低、功耗大、安全性低，极大限制了其应 用范围。TiO₂是一种绿色的功能材料，其优异的物理化学特性使得它在太阳能 的储存与利用、光催化降解、光致变色、气敏传感器等诸多领域具有广阔的应 用价值。利用TiO₂纳米管阵列的小尺寸和高比表面积所引起的物理化学性质改 变及Pt电极的催化作用，有望解决金属半导体氧化物氢气传感器室温工作的技 术瓶颈，同时提高传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，本发明提供一种室温氢气传感器， 具体涉及氢气传感器中表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列氢敏元件的制备与性 能检测。以TiO₂纳米管阵列作为氢敏元件，提高了传感器的性能；将TiO₂纳米 管阵列的表面沉积一层Pt电极可以提高灵敏度、缩短响应时间、降低工作温度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提供的一种表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列室温氢气传感器，以 清洗后的高纯度工业用Ti箔片作为基片，采用直接阳极氧化法制备TiO₂纳米管 阵列，然后通过直流磁控溅射在其表面部分区域沉积一层Pt电极，步骤如下：

1、Ti箔片的清洗：

1)将纯度为99.99％的工业用Ti箔片裁剪成长方形，然后采用细砂纸进行打磨；

2)将打磨后的长方形Ti箔片先后使用丙酮、酒精和去离子水高功率下各超声清 洗30min，并在空气环境中80℃烘干。

2、采用直接阳极氧化法，在Ti箔片表面生长TiO₂纳米管阵列，具体流程和工 艺条件如下；

1)将清洗后的长方形Ti箔片置于装有0.2wt％氟化铵的乙二醇水溶液的多功能 阳极氧化装置的一侧，用导线接入稳压电源正极；将阴极铜片置于阳极氧化装 置另一侧，用导线接入稳压电源负极；

2)阳极氧化过程：在室温(15℃～25℃)环境下采用45V恒定电压氧化3h得 到TiO₂纳米管阵列；

3)表面处理：将阳极氧化后的TiO₂样品先采用大量去离子水反复冲洗，然后置 于氢氟酸中低功率超声清洗；

3、退火结晶处理：将清洗后的TiO₂样品置于管式退火炉恒温区，在空气环境中 以10℃/min的升温速率升至500℃后保温3h，然后关闭加热装置，自然冷却 到室温。

4、一种表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列室温氢气传感器，其表面Pt电极的 制备步骤为：

1)用上述方法制备的TiO₂纳米管阵列作为氢敏元件，在其表面预先制作电极图 形掩模板；

2)采用直流磁控溅射技术，在TiO₂纳米管阵列表面的中间区域制备长方形Pt 电极；

测试传感器在室温下的氢敏性能，将数据采集器(MASTECH MS8218)的探 针和铜质压针用导线相连接，将样品用压针固定后置于可使气体流过的密闭金 属腔上部。采用本发明的一种表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列室温氢气传感 器性能检测步骤如下：

1)在性能测试前，通入高纯度氩气，直到该氢气传感器出现稳定的 电阻信号；

2)持续通入氩气稀释后的氢气直到信号曲线不再下降而趋于平稳，将此时的电 阻信号记作R_H，然后通入空气直到信号曲线不再上升趋于稳定，将此时的电 阻信号记作R₀并反复操作多次；

3)定义氢敏测试的响应时间为电阻下降90％所需要的时间，定义恢复时间为电 阻恢复到初始值的90％所需时间。对氩气稀释后不同氢气浓度测试的响应和 恢复时间进行记录；

4)数据处理，定义灵敏度S为(R₀-R_H)/R_H，并进行数据扫描和采集。

本发明的优点：

1)采用在高纯度工业用Ti箔片上直接阳极氧化制备TiO₂纳米管阵列，其工艺 简单、成本较低。

2)采用TiO₂纳米管阵列作为氢敏元件，较大的比表面积有利于表面电子迁移； 表面Pt电极的催化作用有利于降低传感器的工作温度。

3)采用本发明所制备的氢敏元件在室温下对氢气氛表现出较快的响应速度、稳 定的恢复性能和较高的灵敏度。

附图说明

图1是表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列氢气传感器结构示意图。

图2是表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列氢气传感器对不同浓度氢气的室温响 应曲线。

图3是表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列氢气传感器对不同浓度氢气的灵敏度 曲线。

图4是表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列氢气传感器对不同浓度氢气的响应和 恢复时间曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

如图1所示，本实施例公开了一种表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列室温 氢气传感器，其结构包括表面覆盖的两块厚度为30nm，长为15mm，宽为2mm， 间隔为5mm的长方形Pt电极1、Ti基底2、TiO₂纳米管阵列3。

具体实施例为

1、采用直接阳极氧化法在高纯度工业用Ti箔片上制备TiO₂纳米管阵列：

1)按上述操作步骤，将Ti片裁剪成3cm×1cm的长方形小片，经细砂纸打磨后 按操作步骤一的方法进行清洗；

2)将清洗后的长方形Ti箔片置于装有0.2wt％氟化铵的乙二醇水溶液的多功能 阳极氧化装置的一侧，用导线接入稳压电源正极；将阴极铜片置于阳极氧化 装置的另一侧，用导线接入稳压电源负极；

3)将稳压电源输出调到45V，在室温20℃下恒压阳极氧化3h。将氧化后的样 品先采用大量去离子水反复冲洗，然后置于0.08wt％的氢氟酸中，低功率超 声清洗30s，去除阳极氧化后样品表面覆盖的残余物质，得到孔径为100nm， 长度为2μm的TiO₂纳米管阵列。

4)将阳极氧化后的TiO₂样品置于管式退火炉的恒温区进行退火处理。在空气环 境中以10℃/min的升温速率升至500℃后保温3h，然后关闭加热装置，自然 冷却到室温。

2、在TiO₂纳米管阵列表面覆盖掩模板，在室温、120W、0.5Pa的参数下采用 直流磁控溅射技术沉积厚度为30nm，长为15mm、宽为2mm、间隔为5mm 的两块长方形Pt电极。表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列所构成的氢敏元 件结构如图1所示。

3、在室温下对样品的氢敏性能进行测试，将数据采集器(MASTECH MS8218) 的探针和铜质压针用导线连接，然后将样品用压针固定于可使气体流过的密 闭金属腔上部。按性能检测步骤(1)至(4)进行测试，结果如图2、3、4所示。 图2说明表面覆盖Pt电极的TiO₂纳米管阵列对较大浓度范围的氢气均有响 应。图3显示该氢敏元件具有较高的灵敏度，在低氢气浓度(100-500ppm) 下灵敏度可以达到10²到10³；当氢气浓度达到2000ppm其灵敏度高达10⁷。 图4表明该氢敏元件具有较快响应时间和稳定的恢复时间，当氢气浓度达到 2000ppm时响应时间最快仅为13s。