一种快速高效精准检测的氢敏感材料及其制备方法

本发明涉及氢能检测及氢敏感材料领域，涉及一种高稳定性、高灵敏度、快速检测以及低功耗的氢敏感材料及其制备方法。

背景技术：

1、在全球能源结构向低碳、清洁、高效转型的背景下，氢能凭借来源广泛、燃烧热值高、无污染、可储存运输等优势，已成为我国战略新兴产业与未来能源体系的一个重要组成部分。氢气在生产、储存、运输、加注及氢燃料电池、储氢容器、加氢站等全流程输运和应用过程中，泄漏检测与浓度监测是保障系统安全运行、防范燃爆事故的关键核心技术，也是市场监管部门对特种设备与涉氢场所实施安全管控的一个重要抓手。

2、当前商业化的氢气传感器以催化型、电化学型为主，虽实现规模化应用，但存在明显不足：电极材料依赖 pd、pt、au 等贵金属，成本高，难以普及；液态电解质易泄漏、蒸发、结晶，高温稳定性差、传感器寿命短；适用温度范围窄、低浓度灵敏度不足，易受氧气、湿度等环境干扰，信号漂移明显；国内自主化水平偏低，工业与商业场景主流产品依赖国外品牌，国产传感器在核心性能上与国际产品存在差距，无法满足氢能产业快速发展的安全检测需求。

3、电阻式氢气传感器结构简单、制备工艺简便，无需复杂光刻与线路设计，成本低廉、易于微型化与阵列集成。其依托敏感材料表面吸附氢气引发电阻变化，信号采集电路简易、功耗低，具有灵敏度高、响应恢复速度快等特点，可实现 ppm 级低浓度氢气检测；同时化学稳定性好、重复性与长期可靠性优异，适配金属氧化物及贵金属改性体系，适用于工业监测、安防检测等多种实际应用场景。

4、本发明针对目前氧化物氢传感器mos存在的上述问题，以半导体金属氧化物wo3为基体，充分发挥优异催化溢流效应，促进氢气分子吸附解离；构建金属 - 半导体异质结与肖特基势垒，有效调控载流子传输，大幅提升灵敏度与低浓度氢气检测能力；降低元件最佳工作温度，加快响应恢复速率，改善气体选择性与抗干扰能力；细化晶粒、增加表面活性位点，提升材料结构稳定性与长期使用重复性。

5、与现有技术相比，该发明解决了现有氢敏感材料及传感器响应慢、灵敏度低、功耗高、检测限高以及稳定性差等问题，而且制备方法工艺简单，容易重复和工业化。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的问题，本发明提出了半导体金属氧化物结构与表面协同调控的方法，解决目前氢敏检测传感器响应慢、灵敏度低、功耗高、检测限高以及稳定性差等问题，提高氢泄露检测的准确性、可靠性、快捷性和稳定性。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种快速高效精准检测的氢敏感材料，其特征在于，包括：氢敏感材料为ni和pdo改性的氧化钨wox(1≤x≤3)，组成为pdo/ni-wox。

4、优选地，所述的改性为先用ni改性，再用pdo改性。

5、优选地，所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，包括以下步骤：

6、步骤一，将钨盐和络合剂溶解于去离子水中，得到金属盐溶液；

7、步骤二，按照添加量计算，将镍盐溶解在去离子水中；

8、步骤三，将步骤一与步骤二中的溶液混合，进行水热反应，得到氢敏材料前驱体；

9、步骤四：将步骤三得到的氢敏材料前驱体进行离心、干燥、煅烧，得到ni改性wox氢敏材料；

10、步骤五：按照物质的量比例，称取一定量的镍改性氢敏材料并溶解于无水乙醇中，将一定量的钯盐溶解于去离子水中，ni改性wox溶液与钯盐溶液混合，长时间搅拌混合溶液后离心、干燥、煅烧，得到pdo和ni改性的wox氢敏感材料。

11、优选地，所述的钨盐为钨酸钠、钨酸铵的任意一种或其组合，络合剂为草酸。

12、优选地，所述的镍盐为硫酸镍、硝酸镍、氧化镍、碳酸镍的任意一种或其组合。

13、优选地，所述的钯盐为四氯钯酸钠、硝酸钯的任意一种或其组合。

14、优选地，所述的步骤四中的煅烧指在400 - 500℃煅烧。

15、优选地，所述的步骤五中的煅烧指先升温至240 - 340℃保温进行预煅烧，然后升温至400 - 500℃进行煅烧。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、高灵敏度与低检测限：ni改性引入大量氧空位、细化晶粒、升高wo3的费米能级，强化氢气吸附；pdo发挥优异的氢气催化解离与溢流效应，构建p-n异质结，强化电荷传递和反应，二者协同作用，使材料对低浓度氢气的响应显著提升，通过调控ni与pdo的含量，检出限可降低至0.38 ppm，满足微量氢气检测需求。

18、降低工作温度，功耗低：pdo与ni协同降低了材料的最佳工作温度，使传感器可在75 ℃ - 120 ℃范围内稳定工作，相比纯wox基传感器，大幅降低功耗，提升实际应用的安全性。

19、响应速度和恢复速度快：pdo的催化作用加速了氢气分子的解离与反应，纳米多孔结构强化气体分子吸附和扩散，并缩短气体扩散路径，使传感器的响应时间缩短至2 s，实现氢气的快速检测与恢复。

20、稳定性好：制成的氢敏传感器可以连续工作超过70天，检测性能不衰减。

21、选择性好：制成的氢敏传感器可以有效识别ch4、nh3、h2s的干扰，并对氢气有非常高的响应性。

22、抗湿性好：pdo改性将亲水的wox和ni改性wox转变为疏水，而且制成的氢敏传感器性能在高湿度下不受影响。

1.一种快速高效精准检测的氢敏感材料，其特征在于，包括：氢敏感材料为ni和pdo改性的氧化钨wox (1≤x≤3)，组成为pdo/ni-wox。

2.根据权利要求1所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料及其制备方法，其特征在于，包括：所述的改性为先用ni改性，再用pdo改性。

3.根据权利要求2所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括：所述的钨盐为钨酸钠、钨酸铵的任意一种或其组合，络合剂为草酸。

5.根据权利要求3所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括：所述的镍盐为硫酸镍、硝酸镍、氧化镍、碳酸镍的任意一种或其组合。

6.根据权利要求3所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括：所述的钯盐为四氯钯酸钠、硝酸钯的任意一种或其组合。

7. 根据权利要求3所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括：所述的步骤四中的煅烧指在400 - 500℃煅烧。

8. 根据权利要求3所述的一种快速高效精准检测的氢敏感材料制备方法，其特征在于，包括：所述的步骤五中的煅烧指先升温至240 - 340℃保温进行预煅烧，然后升温至400- 500℃进行煅烧。