本發(fā)明涉及氫氣傳感器的技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種氫氣傳感器及所述氫氣傳感器的制備方法。

背景技術(shù)：

新世紀以來，世界能源的消耗量急劇增加，使得石油和煤礦等原始資源日益枯竭，并且隨著人們環(huán)保意識的加強，這些污染環(huán)境的能源越來越不被接受，各種替代能源必將出現(xiàn)。氫氣作為新能源的一種，具有燃燒產(chǎn)物是水，沒有污染；燃燒熱大，放熱多；來源廣泛，可再生等優(yōu)點，當前國際市場上氫氣用量是很大的，而且以每年大于8％的速率增長。但是氫氣容易爆炸，儲存十分危險，對于氫氣的安全問題急需解決。因此，研究氣體傳感器對氫氣的檢測具有重要意義。

氫氣傳感器的分類主要有半導體型傳感器、熱電型傳感器和光纖傳感器，其中，利用金屬氧化物半導體材料制備的氣敏傳感器因具有靈敏度高、響應(yīng)快、成本低、壽命長的優(yōu)點，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。

二氧化鈦是一種n型半導體金屬氧化物，其價廉易得、無毒、催化活性高、氧化能力強、穩(wěn)定性好，是一種常用氣敏傳感器材料。當前二氧化鈦對于氫氣檢測的研究，不僅二氧化鈦多孔結(jié)構(gòu)制作方法復雜，摻雜物質(zhì)繁多，而且傳感器的檢測多在高溫高真空的環(huán)境。通常二氧化鈦傳感器隨著溫度降低，其靈敏度降低，響應(yīng)時間和恢復時間隨著溫度降低會急劇增加。此外二氧化鈦傳感器的恢復性能很差。

因此提供一種能夠常溫檢測、靈敏度高且恢復時間短的氫氣傳感器十分有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種能夠常溫檢測、靈敏度高且恢復時間短的氫氣傳感器以及該氫氣傳感器的制備方法。

一種氫氣傳感器的制備方法，包括如下步驟：s1，分別稱量預(yù)定質(zhì)量的二氧化鈦和氧化銦，并將二者進行混合；s2，將在s1中稱量得到的二氧化鈦和氧化銦的混合物進行球磨，從而得到均勻混合的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末；s3，稱取預(yù)定質(zhì)量的經(jīng)過球磨后的粉末，然后對粉末進行壓片成型；s4，將壓片成型的壓片400-800℃進行熱處理，熱處理時間介于2-4h之間；s5，對經(jīng)過熱處理工藝的壓片制作電極，并得到氫氣傳感器。

優(yōu)選的，所述二氧化鈦為銳鈦礦相或者金紅石相，或者所述二氧化鈦為銳鈦礦和金紅石相的混合物。

優(yōu)選的，經(jīng)過球磨后的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末的粒徑介于10-100納米之間。

優(yōu)選的，所述述氧化銦的質(zhì)量與所述二氧化鈦和所述氧化銦的總質(zhì)量之比介于0-20％之間。

優(yōu)選的，在步驟s1之前，還包括將所述二氧化鈦置于450℃的溫度保溫1小時，以及將所述氧化銦置于600℃保溫1小時。

優(yōu)選的，在步驟s3和s4之間，還包括將所述壓片先置于100℃的環(huán)境中保溫1小時的預(yù)處理步驟。

一種氫氣傳感器，包括壓片以及pt電極，所述pt電極設(shè)置于所述壓片一側(cè)的表面，所述壓片由所述二氧化鈦粉末和氧化銦粉末混合后壓制形成，并且所述氧化銦粉末與所述二氧化鈦粉末和所述氧化銦粉末的總質(zhì)量之比介于0-20％之間。

優(yōu)選的，所述壓片呈圓形，其直徑為16毫米，厚度為2毫米。

優(yōu)選的，所述pt電極包括第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極均設(shè)置于所述壓片同一側(cè)的表面，并且二者平行間隔設(shè)置。

優(yōu)選的，所述第一電極和所述第二電極均為長方形。

本發(fā)明提供的氫氣傳感器可以在常溫下進行檢測，不僅能夠檢測到的氫氣濃度范圍廣，并且響應(yīng)和恢復快速，靈敏度高。另外，本發(fā)明提供的氫氣傳感器的制備方法容易實現(xiàn)，所述二氧化鈦和所述氧化銦均為普通的納米顆粒，原材料的來源廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例一中提供的壓片傳感器在不同氫氣濃度下的響應(yīng)恢復曲線圖。

圖3為實施例一中提供的壓片傳感器在1000ppm濃度氫氣下的響應(yīng)恢復曲線圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本發(fā)明中的元件和組件，數(shù)量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發(fā)明并不對此進行限定。本發(fā)明中的步驟雖然用標號進行了排列，但并不用于限定步驟的先后次序，除非明確說明了步驟的次序或者某步驟的執(zhí)行需要其他步驟作為基礎(chǔ)，否則步驟的相對次序是可以調(diào)整的?？梢岳斫猓疚闹兴褂玫男g(shù)語“和/或”涉及且涵蓋相關(guān)聯(lián)的所列項目中的一者或一者以上的任何和所有可能的組合。

請參閱圖1，是本發(fā)明提供的氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提供一種氫氣傳感器100，所述氫氣傳感器包括壓片10和pt電極20。所述pt電極20設(shè)置于所述壓片10一側(cè)的表面。

所述壓片10的原料包括二氧化鈦粉末和氧化銦粉末，并且所述氧化銦粉末占所述二氧化鈦粉末和所述氧化銦粉末總質(zhì)量的0-20％。預(yù)定比例的所述二氧化鈦粉末和所述氧化銦粉末充分混合，然后進行壓片成型，進一步于進行400-800℃進行熱處理即得到所述壓片10。

所述壓片10呈圓片狀，并且所述壓片10的直徑為16毫米，厚度為2毫米。當然，在其他的實施方式中，所述壓片10還可以為其它形狀以及其它尺寸，本發(fā)明對此不做限定。

所述pt電極20設(shè)置于所述壓片10的頂部表面。所述pt電極20包括第一電極21和第二電極22。所述第一電極21和所述第二電極22均呈長方形形狀，并且二者之間間隔預(yù)定的距離并且呈平行設(shè)置。在本實施方式中，所述第一電極21和所述第二電極22之間間隔5毫米設(shè)置。當然，在其他實施方式中，所述第一電極21和所述第二電極22之間還可以間隔其它距離，本發(fā)明對其不做限定。

對所述氫氣傳感器100的測試方法如下：

在本發(fā)明中采用靜態(tài)配氣法對所述氫氣傳感器100進行測試。其中環(huán)境為測試溫度25℃，相對濕度為25-30％rh。

首先將氫氣和氬氣進行混合形成混合氣體，所述混合氣體中的氫氣的濃度介于50-1000ppm之間，所述混合氣體的流速控制為50sccm。

將所述氫氣傳感器置于混合氣體的流速為50sccm的環(huán)境中，當然，在其他的實施方式中，所述混合氣體的流速還可以設(shè)置為其它數(shù)值，本發(fā)明對此不做限定。所述氫氣傳感器100可以吸附氫氣，吸附氫氣后的所述氫氣傳感器100的電導率升高。當然，當氫氣傳感器100脫附氫氣時，此時所述氫氣傳感器100的電導率降低。當所述氫氣傳感器100吸附氫氣時，所述氫氣傳感器100可以得到自所述氫氣轉(zhuǎn)移的電子，從而提高所述氫氣傳感器100的導電率。具體地，所述氫氣傳感器100中的二氧化鈦的導帶得到自所述氫氣轉(zhuǎn)移的電子，并在所述壓片10的表面積聚，從而增強了所述氫氣傳感器100的導電率。

同樣的，當所述氫氣傳感器100脫附氫氣時，所述氫氣傳感器100釋放得到自所述氫氣轉(zhuǎn)移的電子，此時所述氫氣傳感器100的導電率降低。具體地，所述氫氣傳感器100中的二氧化鈦的導帶失去自所述氫氣轉(zhuǎn)移的電子并轉(zhuǎn)移至氫離子，此時所述氫氣傳感器100的導電率會降低，最終恢復為初始的數(shù)值。

本發(fā)明的提供的氫氣傳感器的制備方法包括如下步驟：

s1，分別稱量預(yù)定質(zhì)量的二氧化鈦和氧化銦，并將二者進行混合；

分別稱取預(yù)定質(zhì)量的二氧化鈦和氧化銦，然后將所述二氧化鈦和所述氧化銦進行混合。其中述氧化銦的質(zhì)量占二者的總質(zhì)量介于0-20％之間。在本發(fā)明中，所述二氧化鈦可以為銳鈦礦相的二氧化鈦或者金紅石相的二氧化鈦，也可以為銳鈦礦相的二氧化鈦和金紅石相的二氧化鈦的混合相。

在進行步驟s1之前，還可以包括對所述二氧化鈦和所述氧化銦的退火處理步驟。具體地，將所述二氧化鈦置于450℃的溫度保溫1小時然后自然冷卻。將所述氧化銦置于600℃保溫1小時然后自然冷卻。

s2，將在s1中稱量得到的二氧化鈦和氧化銦的混合物進行球磨，從而得到均勻混合的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末；

在本發(fā)明中，將所述二氧化鈦和所述氧化銦的混合物放入瑪瑙球磨罐中進行球磨，其中球磨罐的轉(zhuǎn)速介于300-400r/min，球磨時間介于4-6小時中間。所述二氧化鈦和所述氧化銦進行球磨后會變?yōu)榉勰?，并且此時所述二氧化鈦和所述氧化銦形成的粉末會充分、均勻的混合。所述粉末的粒徑介于10-100納米之間。當然，在其他的實施方式中，所述球磨罐還可以為其它類型的球磨罐，比如二氧化鋯球磨罐等，本發(fā)明對此不做限定。

s3，稱取預(yù)定質(zhì)量的經(jīng)過球磨后的粉末，然后對粉末進行壓片成型；

具體地，根據(jù)預(yù)先的設(shè)計稱取預(yù)定質(zhì)量的經(jīng)過球磨后的粉末，然后將稱取后的粉末放入壓片模具中，然后采用壓片機進行壓片成型。

在本發(fā)明中，稱取的粉末質(zhì)量為1克，然后將所述粉末放入壓片模具中，最后利用壓片機進行壓制成型。其中所采用的壓片機的壓力采用8-12gpa，壓制的時間為3-7分鐘。

s4，將壓制成型的壓片400-800℃進行熱處理，熱處理時間介于2-4小時之間；

所述壓片采用馬弗爐進行熱處理，即將所述壓片置于所述馬弗爐中進行熱處理。所述壓片的熱處理溫度介于400-800℃之間。在本步驟之前，所述壓片還進行了預(yù)熱處理步驟，即先所述壓片置于所述馬弗爐中升溫至100-200℃之間的任一溫度保溫處理1-2小時，然后再將所述馬弗爐升溫至400-800℃，并保溫2-4小時。

s5，對經(jīng)過熱處理工藝的壓片設(shè)置電極，并得到氫氣傳感器。

在本發(fā)明中采用磁控濺射的方式對經(jīng)過熱處理工藝的所述壓片設(shè)置電極。具體地，采用磁控濺射的方式對經(jīng)過熱處理的壓片表面濺射一層pt電極。在本發(fā)明中，所述pt電極的個數(shù)為兩個，所述兩個pt電極均為長方形且互相平行設(shè)置，所述兩個pt電極之間的距離為5毫米。

接下來將結(jié)合具體實施例對所述氫氣傳感器的制備方法作進一步描述。

實施例一

首先將二氧化鈦與納米氧化銦進行混合，其中所述二氧化鈦為銳鈦礦相的二氧化鈦，所述氧化銦占所述二氧化鈦和所述氧化銦總質(zhì)量的10％。將配置好的所述二氧化鈦和所述氧化銦置于瑪瑙球磨罐中進行球磨，所述瑪瑙球磨罐的轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨時間6h；

然后將經(jīng)過球磨的后的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末稱量1g，并置于壓片模具，然后利用壓片機在10gpa的壓力下壓制5分鐘形成壓片；

然后將所述壓片進行熱處理，先將溫度升至100℃保溫2h，然后再升溫至600℃保溫4h；

將經(jīng)過熱處理的壓片表面濺射一層pt電極，其中所述pt電極的個數(shù)為兩個，且兩個所述pt電極之間的距離為5毫米，最終得到氫氣傳感器。

請同時參閱圖2和圖3，在100ppm、500ppm和1000ppm濃度氫氣下，傳感器的響應(yīng)時間均小于10s；隨著濃度提高，傳感器的恢復時間逐漸減少，尤其在1000ppm濃度的氫氣下，恢復時間為2.6s，表現(xiàn)出異常優(yōu)秀的氣敏性能。從圖中可以看出本實施例中制備的壓片在本實驗條件下對不同濃度氫氣均具有優(yōu)異的氣體響應(yīng)和恢復性能。

實施例二

首先將二氧化鈦與納米氧化銦進行混合，其中所述二氧化鈦為金紅石相的二氧化鈦，所述氧化銦占所述二氧化鈦和所述氧化銦總質(zhì)量的10％。將配置好的所述二氧化鈦和所述氧化銦置于瑪瑙球磨罐中進行球磨，所述瑪瑙球磨罐的轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時間4h；

然后將經(jīng)過球磨的后的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末稱量1g，并置于壓片模具，然后利用壓片機在8gpa的壓力下壓制7分鐘形成壓片；

然后將所述壓片進行熱處理，先將溫度升至150℃保溫1h，然后再升溫至400℃保溫4h；

將經(jīng)過熱處理的壓片表面濺射一層pt電極，其中所述pt電極的個數(shù)為兩個，且兩個所述pt電極之間的距離為5毫米，最終得到氫氣傳感器。

實施例三

首先將二氧化鈦與納米氧化銦進行混合，其中所述二氧化鈦為銳鈦礦相的二氧化鈦，所述氧化銦占所述二氧化鈦和所述氧化銦總質(zhì)量的20％。將配置好的所述二氧化鈦和所述氧化銦置于瑪瑙球磨罐中進行球磨，所述瑪瑙球磨罐的轉(zhuǎn)速為350r/min，球磨時間5h；

然后將經(jīng)過球磨的后的所述二氧化鈦和所述氧化銦的粉末稱量1g，并置于壓片模具，然后利用壓片機在12gpa的壓力下壓制3分鐘形成壓片；

然后將所述壓片進行熱處理，先將溫度升至200℃保溫1h，然后再升溫至800℃保溫2h；

將經(jīng)過熱處理的壓片表面濺射一層pt電極，其中所述pt電極的個數(shù)為兩個，且兩個所述pt電極之間的距離為5毫米，最終得到氫氣傳感器。

實施例四

本實施例中的氫氣傳感器的制備方法與實施例一中的氫氣傳感器的制備方法基本相同。其不同之處在于：在本實施例中首先對所述二氧化鈦和所述氧化銦進行了退火處理。具體地，將所述二氧化鈦在450℃保溫1小時，將所述氧化銦在600℃中退火1小時，。

實施例五

本實施例中的氫氣傳感器的制備方法與實施例二中的氫氣傳感器的制備方法基本相同。其不同之處在于：在本實施例中首先對所述二氧化鈦和所述氧化銦進行了退火處理。具體地，將所述二氧化鈦在450℃保溫1小時，將所述氧化銦在600℃中退火1小時。

實施例六

本實施例中的氫氣傳感器的制備方法與實施例三中的氫氣傳感器的制備方法基本相同。其不同之處在于：在本實施例中首先對所述二氧化鈦和所述氧化銦進行了退火處理。具體地，將所述二氧化鈦在450℃保溫1小時，將所述氧化銦在600℃中退火1小時。

實施例七

本實施例中的氫氣傳感器的制備方法與實施例二中的氫氣傳感器的制備方法基本相同。其不同之處在于：所述氧化銦占所述二氧化鈦和所述氧化銦總質(zhì)量的20％。

對比實施例

本實施例中的氫氣傳感器的制備方法與實施例一中的氫氣傳感器的制備方法基本相同。其不同之處在于：在本實施例中不包括所述氧化銦，所有的原料為銳鈦礦相的二氧化鈦。

本發(fā)明提供的氫氣傳感器可以在常溫下進行檢測，不僅能夠檢測到的氫氣濃度范圍廣，并且響應(yīng)和恢復快速，靈敏度高。另外，本發(fā)明提供的氫氣傳感器的制備方法容易實現(xiàn)，所述二氧化鈦和所述氧化銦均為普通的納米顆粒，原材料的來源廣泛。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。