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上海微系统所揭示氢气传感器的失效机制

  随着低碳经济的快速发展,氢能作为理想的清洁能源应用于各个领域,如氢燃料电池汽车。为了确保氢气的安全使用,迫切需要开发具有高灵敏度、高选择性、高稳定性且低功耗的氢气传感器。李昕欣/许鹏程研究团队在国家重点研发计划“硅基气体敏感薄膜兼容制造及产业化平台关键技术研究”的支持下,开展了MEMS低功耗氢气传感器的研究工作。

  在半导体敏感材料表面修饰贵金属催化剂是提升氢气传感器性能(如灵敏度)的有效方法。然而,半导体气体传感器的工作温度高达数百摄氏度。在长期的高温工作环境下,金属催化剂的活性易衰减,引起半导体气体传感器的性能下降甚至失效,阻碍了该类传感器的实用化。传统的材料表征方法通常只能分析敏感材料失活前后微观形貌、结构及成分等的变化,缺乏在工况条件尤其是气氛条件下原位表征敏感材料的能力,难以分析半导体气体传感器的失效机制。

  该研究使用气相原位TEM实验,在工况条件下观测到Pd-Ag合金纳米颗粒催化剂的形貌和物相演变全过程,揭示了该合金纳米催化剂在不同工作温度下的失活机制,并据此对MEMS氢气传感器进行优化,有效推进了氢气传感器的实用化。原位TEM实验结果表明(图2),当半导体氢气传感器在300 ℃工作时,相邻近的Pd-Ag合金纳米颗粒易发生融合、颗粒长大现象,且颗粒的结晶性提高。Pd-Ag合金纳米颗粒催化剂的粒径增大、缺陷减少,使其催化活性降低,引起氢气传感器的灵敏度出现衰减。当氢气传感器在更高温度(500 ℃)下工作时,Pd-Ag合金纳米颗粒进一步发生相偏析,Ag元素从合金相中析出,同时生成了PdO相,导致催化剂丧失了协同增强效应,使氢气传感器的灵敏度大幅下降甚至失效。

  在上述失效机制的指导下,科研团队进一步优化了Pd-Ag合金催化剂的元素组成、负载量及工作温度,并使用实验室独立研发的集成式低功耗MEMS传感芯片,研制出新一代的氢气传感器。该氢气传感器具有灵敏度高(检测下限优于1 ppm)、长期稳定性好(在300 ℃下连续工作一个月后,对100 ppm H2的响应值衰减小于1%)、功耗低(300 ℃下持续工作,功耗仅为22 mW)。该研究采用气相原位TEM技术来探讨气体传感器的失效机制,为气体传感器的理论研究与实用化提供了新的研究方式。目前,该MEMS氢气传感器已在汽车加氢站等领域试应用,相关应用工作正在积极推进。