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一種光學(xué)氫氣傳感器及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】

[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)氫氣傳感器及其設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】

[0002]隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量不斷的增加，而石油、煤炭和天然氣等傳統(tǒng)能源的儲(chǔ)量在不斷減少氫氣探頭，這要求人們發(fā)展可再生新型能源。同時(shí)，傳統(tǒng)能源的燃燒造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。而氫氣是一種極其潔凈的能源，其氧化產(chǎn)物只是水，且氫氣可以通過(guò)光解水制備，因而氫氣是一種可再生能源。目前，氫能已被廣泛的應(yīng)用在燃料電池和內(nèi)燃機(jī)中。除此之外，在化工工業(yè)和煉鋼工業(yè)中也廣泛的用到氫氣。然而氫氣探頭，氫氣是一種極易爆炸的氣體，因此，氫能的廣泛應(yīng)用和工業(yè)中氫氣的應(yīng)用都需要高靈敏度的、性能穩(wěn)定可靠的氫氣傳感器。

[0003]傳統(tǒng)氫氣傳感器都是通過(guò)測(cè)量電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但電阻的測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控地測(cè)量，而且在測(cè)量中有可能產(chǎn)生電火花，其對(duì)易燃易爆的氫氣來(lái)說(shuō)極其危險(xiǎn)。目前來(lái)說(shuō)，最常用的氫氣傳感器是鈀基傳感器，當(dāng)鈀暴露在氫氣中時(shí)，會(huì)吸附和吸收氫氣，形成氫化鈀，從而使電阻發(fā)生改變。然而，在鈀變成氫化鈀后，它的折射率、質(zhì)量和體積等也發(fā)生了變化，但是這些變化很微小，不易被測(cè)量出來(lái)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)氫氣傳感器及其設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)氫氣的光學(xué)傳感的問(wèn)題。

[0005]本發(fā)明的第一個(gè)方面是提供一種光學(xué)氫氣傳感器的設(shè)計(jì)方法，包括:

[0006]將金-鈀納米結(jié)構(gòu)沉積在透明基座上，形成金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列；

[0007]利用所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列中金的表面等離激元共振來(lái)檢測(cè)鈀與氫氣的相互作用而產(chǎn)生的變化；

[0008]根據(jù)所述變化產(chǎn)生共振峰的變化，并通過(guò)光學(xué)儀器對(duì)所述共振峰進(jìn)行測(cè)量，從而形成光學(xué)氫氣傳感器。

[0009]進(jìn)一步的，所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的生成方法包括:

[0010]將十六烷基三甲基溴化銨濃度為0.01至0.05mol/L、金納米顆粒濃度為IX 10_1Q至3X 10_1(lmOl/L以及氯鈀酸濃度為0.01mol/L的溶液進(jìn)行混合，從而形成混合溶液，使得所述混合溶液中所述氯鈀酸的濃度為15至150 ymol/L ;

[0011]向所述混合溶液中加入濃度為0.lmol/L的抗壞血酸溶液，使得最終的混合溶液中所述抗壞血酸的濃度為75至150 ymol/L ；

[0012]將所述最終的混合溶液靜置5至8小時(shí)，使得所述氯鈀酸在所述金納米顆粒的表面被還原形成鈀殼；

[0013]將所述最終的混合溶液進(jìn)行離心處理，所述離心處理的加速度為1300至2800g ;

[0014]移除所述離心處理后的所述最終的混合溶液中的上清液，在剩余的混合溶液中加入適量的去離子水并進(jìn)行超聲處理，直到所述剩余的混合溶液澄清并分散開，形成金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液。

[0015]進(jìn)一步的，所述透明基座是經(jīng)過(guò)清洗和修飾、使其形成親水的、負(fù)電性表面的透明基座。

[0016]進(jìn)一步的，所述將金-鈕納米結(jié)構(gòu)沉積在透明基座上，形成金-鈕納米結(jié)構(gòu)的陣列的操作包括:

[0017]將所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液進(jìn)行再次離心處理，所述再次離心處理的加速度為 1300 至 2800g ；

[0018]徹底移除所述再次離心處理后的所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液中的上清液，將剩余的金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化銨的濃度調(diào)控至20 ymol/L至2mmol/L，形成金-鈕納米顆粒溶液；

[0019]將所述經(jīng)過(guò)清洗和修飾、使其形成親水的、負(fù)電性表面的透明基座插入所述金-鈀納米顆粒溶液中；

[0020]靜置8至12小時(shí)后取出所述透明基座并進(jìn)行干燥處理，使得所述金-鈀納米顆粒溶液沉積在所述透明基座上，形成金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列；

[0021 ] 采用氣體等離子體技術(shù)除去所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列中金-鈀納米顆粒表面的十六烷基三甲基溴化銨分子。

[0022]進(jìn)一步的，所述金-鈕納米結(jié)構(gòu)的陣列中金-鈕納米顆粒的濃度為10至100/ μπι2。

[0023]進(jìn)一步的，所述采用氣體等離子體技術(shù)除去所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列中金-鈀納米顆粒表面的十六烷基三甲基溴化銨分子的操作包括:

[0024]采用氧氣等離子體、氮?dú)獾入x子體、或氮?dú)夂蜌錃饣旌系牡入x子體技術(shù)對(duì)所述金-鈕納米結(jié)構(gòu)的陣列進(jìn)行清洗，從而除去所述金-鈕納米結(jié)構(gòu)的陣列中金-鈕納米顆粒表面的十六烷基三甲基溴化銨分子。

[0025]進(jìn)一步的，所述將剩余的金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化銨的濃度調(diào)控至20 ymol/L至2mmol/L的操作為:

[0026]在所述剩余的金-鈀納米結(jié)構(gòu)的水溶液中加入所述最終的混合溶液體積一半的去離子水和濃度為0.01至0.lmol/L的十六燒基三甲基溴化錢。

[0027]進(jìn)一步的，所述進(jìn)行干燥處理的操作包括采用氮?dú)獯蹈傻姆椒ā?/p>

[0028]進(jìn)一步的，所述的透明基座包括普通玻璃、有機(jī)玻璃、氧化銦錫玻璃和氟氧化錫玻璃。

[0029]進(jìn)一步的，若所述透明基座采用的是普通玻璃，則首先采用食人魚洗液對(duì)所述透明基座進(jìn)行清洗，然后采用97%酒精進(jìn)行超聲清洗20分鐘，最后取出并用氮?dú)獯蹈桑?/p>

[0030]若所述透明基座采用的是有機(jī)玻璃、氧化銦錫玻璃或氟氧化錫玻璃，則首先采用97%酒精對(duì)所述透明基座進(jìn)行超聲清洗20分鐘，然后采用旋涂法或提拉法在所述透明基座的表面修飾一層二氧化鈦薄膜。

[0031]進(jìn)一步的，所述二氧化鈦薄膜采用鈦酸四乙酯作為前驅(qū)體，采用鹽酸做為水解催化劑，采用三嵌段共聚物做導(dǎo)向劑，采用乙醇作為溶劑，其中，所述鈦酸四乙酯、所述鹽酸、所述三嵌段共聚物、所述乙醇以及水的比例為0.5至1.5:1.0至2.5:0.005至0.015:25至40:5 至 9。

[0032]本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供一種光學(xué)氫氣傳感器，包括:金-鈀納米結(jié)構(gòu)和透明基座，其中，所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)沉積在所述透明基座上voc氣體檢測(cè)儀，從而形成金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列；利用所述金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列中金的表面等離激元共振來(lái)檢測(cè)鈀與氫氣的相互作用而產(chǎn)生的變化；根據(jù)所述變化產(chǎn)生共振峰變化，并通過(guò)光學(xué)儀器對(duì)所述共振峰進(jìn)行測(cè)量。

[0033]采用上述本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:通過(guò)將金-鈀納米結(jié)構(gòu)沉積在透明基座上，從而形成金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列，由于鈀和金緊密接觸，使得金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列傳感靈敏度極高，能夠?qū)崿F(xiàn)極低濃度的探測(cè)。

【附圖說(shuō)明】

[0034]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例氫氣探頭，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

[0035]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)氫氣傳感器的設(shè)計(jì)方法的流程示意圖；

[0036]圖2為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供的金-鈀納米結(jié)構(gòu)的金-鈀納米棒水溶液中金-鈀納米棒的透射電鏡圖；

[0037]圖3為本發(fā)明的又一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供的金-鈀納米棒沉積在玻璃片上的掃描電鏡圖；

[0038]圖4為本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例提供的金-鈀納米棒沉積在氧化銦錫玻璃片上的掃描電鏡圖；

[0039]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)氫氣傳感器在傳感過(guò)程中納米顆粒陣列消光光譜的變化曲線圖；

[0040]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)氫氣傳感器在傳感過(guò)程中其表面等離激元共振峰和強(qiáng)度隨氫氣濃度變化的曲線圖。

【具體實(shí)施方式】

[0041]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述有毒氣體報(bào)警器，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

[0042]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種光學(xué)氫氣傳感器的設(shè)計(jì)方法的流程示意圖，如圖1所示，所述光學(xué)氫氣傳感器的設(shè)計(jì)方法可以包括如下步驟:

[0043]步驟101，將金-鈕納米結(jié)構(gòu)沉積在透明基座上，形成金-鈕納米結(jié)構(gòu)的陣列；

[0044]步驟102，利用金-鈀納米結(jié)構(gòu)的陣列中金的表

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