鈀鎳合金納米結(jié)構(gòu)的制備及氫敏性能的研究.pdf

1、納米結(jié)構(gòu)的材料因其具有獨特的光學(xué)、電學(xué)、催化特性及良好的生物相容性，近年來在電子設(shè)備和傳感器等許多領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。隨著研究的發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法越來越多，本文重點綜述了模板法、自組裝法、氣相法和電沉積法制備納米材料的進(jìn)展。氫氣傳感器是納米材料應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，本文著重介紹了基于金屬、合金、金屬氧化物和半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的氫傳感器。其中鈀基納米級傳感器因其體積小、能在高壓環(huán)境中使用和不受環(huán)境限制等優(yōu)點成為氫傳感材料中使用較廣

2、和研究較深入的傳感器之一。而純鈀的缺陷，如在氫氣中易于形變和相變，促使我們?nèi)パ芯库Z基合金氫敏材料，如鈀鎳合金納米結(jié)構(gòu)。這種材料的耐久性、快速響應(yīng)能力、不易形變和相變及抗H2S毒化能力使它成為制備高性能氫傳感器的重要材料之一。
　　 成分和形貌可控的鈀鎳合金納米線可通過電沉積法在高定向石墨模板上制備。為了便于組裝氫傳感器又在柔韌的聚丙烯腈碳纖維表面制備了鈀鎳合金納米粒子和納米膜，并采用交流電沉積法在金/鉑微電極上制備出鈀鎳合金枝狀

3、納米線。應(yīng)用掃描電子顯微鏡、X-射線能譜儀和X-射線衍射儀等測試手段對沉積物的形貌、結(jié)構(gòu)和合金成分進(jìn)行表征，描述了三種制備方法的沉積過程。將所得的鈀鎳合金納米結(jié)構(gòu)組裝成氫傳感器，進(jìn)行傳感性能檢測。應(yīng)用電化學(xué)工作站在納米結(jié)構(gòu)的兩端施加5 mV的恒定電壓來檢測氫氣對該傳感器響應(yīng)信號的影響，檢測了各種納米結(jié)構(gòu)的鈀鎳合金氫傳感性能。研究獲得的結(jié)論如下：
　　 (1)在組分為70 mmol·dm-3 Pd(NH3)4Cl2+30 mmol

4、·dm-3 NiSO4+0.2 mol·dm-3NH4Cl，pH8.5的電解液中，采用電化學(xué)階邊精飾法在新鮮剝開的高定向石墨臺階邊上成功制備了鈀鎳合金納米線陣列。經(jīng)XRD譜圖分析，所得納米線有合金程度高的面心立方結(jié)構(gòu)的Pd-Ni合金組織，其主要的晶面類型為{111}晶面族。
　　 (2)調(diào)節(jié)形核及生長過程的電沉積參數(shù)可控制納米線的直徑、成分和形貌。形核過程對納米線沉積速率的影響遠(yuǎn)大于生長過程對它的影響。當(dāng)沉積電勢范圍在-0.35

5、--0.88 VSCE之間，得到的沉積物中Ni的含量在8-15 wt％內(nèi)。一般納米線的生長電勢控制在-0.35--0.5 VSCE的范圍內(nèi)，所得納米線平滑連續(xù)。使用低濃度電解液(7 mmol·dm-3 Pd(NH3)4Cl2+3 mmol·dm-3 NiSO4+0.2 mol·dm-3 NH4Cl，pH8.5)可以得到直徑小于100 mm的更為精致的Pd-Ni合金納米線。
　　 (3)聚丙烯腈碳纖維表面的最佳前處理工藝為：在40

6、0℃下去膠60 min；除油液中超聲清洗30 min；40℃下粗化60 min。經(jīng)過去膠、除油、粗化處理后，碳纖維表面更適合作為電沉積基底。
　　 (4)在碳纖維上采用單脈沖法可得到鈀鎳合金納米粒子，且納米粒子的密度隨著沉積電勢的升高而增加。采用三脈沖法可合成鈀鎳合金納米膜。沉積電勢在-0.48--1.04 VSCE之間得到的這兩種納米結(jié)構(gòu)中的鎳含量在8-15 wt％之間。
　　 (5)當(dāng)采用組分為3 mmol·dm-3

7、 Pd(NH3)4Cl2+7 mmol·dm-3 NiSO4+0.2mol·dm-3 NH4Cl，pH8.5的電解液，室溫下，施加電壓為13 Vpp，先在300 Hz下沉積5 s，后在300 kHz下沉積10 min，可以得到直徑約為300 nm、鎳含量在8-15 wt％范圍內(nèi)的鈀鎳合金枝狀納米線。
　　 (6)碳纖維上的納米膜、納米粒子和微電極上的枝狀納米線均可成功地組裝成氫傳感器。碳纖維上納米膜傳感器靈敏度在氫濃度為0-2.

8、8％和3.6-6％之間隨氫濃度升高而升高，但氫濃度在2.8-3.6％之間時，隨氫濃度升高而降低。納米粒子傳感器的靈敏度在氫濃度范圍為0-6％時隨濃度上升而持續(xù)上升。隨氫濃度的升高，傳感器的響應(yīng)時間縮短，而恢復(fù)時間延長。交流電沉積自組裝枝狀納米線組裝的氫傳感器靈敏度高，響應(yīng)速度和恢復(fù)速度很快。納米粒子傳感器比納米膜傳感器的靈敏度高。當(dāng)含有氧氣的空氣作載氣時，傳感器電流快速回復(fù)至基線值附近。
　　 (7)氫氣與鈀鎳合金納米結(jié)構(gòu)作用的