碳化钛复合材料及其制备方法以及氢气检测应用与流程

本发明涉及气体检测领域，具体地涉及一种碳化钛复合材料及其制备方法以及氢气检测应用。

背景技术：

1、氢气具有燃烧热高、环保、储量丰富等独特特点，是下一代的重要清洁新能源。然而，氢能的可燃性和爆炸范围很大程度上阻碍了氢能在现代能源系统中的应用，这就需要高性能传感器来避免氢气泄漏带来的危害。目前，大部分的氢气传感器是基于金属氧化物半导体(mos)。基于mos的氢气传感器具有灵敏度高、响应时间短、检测限低等优点，但由于工作温度高，功耗大使其应用受限。纯钯(pd)或其合金纳米结构在氢气检测中功耗低，但存在成本高和力学性能差等缺陷。这些限制了它们的大规模普及和应用。在此背景下，设计一种能够满足室温可用且适应性强的氢气传感材料具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有氢气检测技术存在的工作温度高，功耗大(金属氧化物半导体基底的氢气传感器)以及稳定性差，选择性低，灵敏性低的问题，提供一种碳化钛复合材料、氢气传感器及其制备方法和应用，使用本发明的碳化钛复合材料的氢气传感器，在室温环境下能够对氢气进行高灵敏度、高选择性的检测。

2、为了实现上述目的，本发明一方面提供一种碳化钛复合材料，其中，所述碳化钛复合材料包括ti3c2tx基底和负载在所述ti3c2tx基底的pd纳米颗粒，所述ti3c2tx基底为多层结构，且至少部分pd纳米颗粒负载在所述ti3c2tx基底多层结构的层间。

3、优选地，所述多层结构为30-80层。

4、优选地，所述ti3c2tx基底厚度为5-150nm，优选为10-100nm。

5、优选地，所述pd纳米颗粒的粒径为5-80nm，优选为5-40nm。

6、优选地，相对于所述碳化钛复合材料的总重量，所述pd纳米颗粒的负载量为10-60重量％。

7、优选地，所述pd纳米颗粒负载在所述ti3c2tx基底表面和所述ti3c2tx基底多层结构的层间。

8、根据本发明第二方面，提供一种碳化钛复合材料的制备方法，其中，该方法包括：在避光条件下，使含有ti3c2tx纳米片的分散液与pd纳米颗粒进行接触后，将接触后的产物进行固液分离的步骤。

9、优选地，所述含有ti3c2tx纳米片的分散液通过将ti3c2tx纳米片分散于分散介质中而得到。

10、优选地，通过将ti3c2tx纳米片分散于分散介质中后进行超声而得到。

11、优选地，所述超声的条件包括：功率为100-800w，温度为0-30℃，时间为60-600min。

12、优选地，ti3c2tx纳米片与分散介质的重量用量比为1：50-100。

13、优选地，所述分散介质为水、乙醇、丙酮和正己烷中的一种或多种。

14、优选地，所述分散介质为水和乙醇；更优选地，所述乙醇和水的体积比为1-5：1，进一步优选为1-3：1。

15、优选地，所述pd纳米颗粒与ti3c2tx纳米片的重量用量比0.1-0.6：1，优选为0.1-0.3：1。

16、优选地，所述接触的条件包括：温度为60-80℃，时间为6-12h。

17、优选地，所述固液分离为离心，所述离心的速度为3000-15000转/分钟，优选为6000-10000转/分钟。

18、优选地，该方法还包括将固液分离得到的固相进行冷冻干燥的步骤。

19、优选地，该方法还包括在将固液分离得到的固相进行冷冻干燥之前，用水进行洗涤的步骤。

20、优选地，所述冷冻干燥的条件包括：温度为-70～-40℃，时间为6-14小时。

21、优选地，所述ti3c2tx纳米片通过使用氢氟酸或氟化盐刻蚀前驱体ti3alc2而得到。

22、优选地，所述pd纳米颗粒通过还原剂还原h2pdcl4溶液中的pd离子而得到。

23、优选地，所述还原剂为水合肼、柠檬酸钠、硼氢化钠中的一种或多种，优选为柠檬酸钠或硼氢化钠。

24、根据本发明第三方面，提供一种氢气传感器，其中，该氢气传感器包括：形成在电极表面的传感膜，所述传感膜含有本发明第一方面所述的碳化钛复合材料或本发明第二方面所述的方法制备得到的碳化钛复合材料。

25、根据本发明第四方面，提供一种氢气传感器的制备方法，其中，该方法包括：将本发明第一方面所述的碳化钛复合材料或本发明第二方面所述的方法制备得到的碳化钛复合材料涂覆在电极表面形成传感膜的步骤。

26、优选地，使用有机溶剂将碳化钛复合材料分散后进行研磨，并将研磨料涂覆在电极表面形成传感膜。

27、优选地，所述有机溶剂与所述碳化钛复合材料的质量比为1-5：1，优选为1-3：1。

28、优选地，所述传感膜的厚度为50-2000μm，优选为100-1000μm。

29、根据本发明第五方面，提供本发明第一方面所述的碳化钛复合材料或本发明第二方面所述的方法制备得到的碳化钛复合材料在制备氢气传感器中的应用。

30、通过上述技术方案，本发明的碳化钛复合材料的制备方法，其操作简单、稳定性高、便于大规模制备，并且制备的氢气传感器具有可室温环境工作、功耗小、稳定性高、选择性高、灵敏性高的优异性能。

技术特征：

1.一种碳化钛复合材料，其特征在于，所述碳化钛复合材料包括ti3c2tx基底和负载在所述ti3c2tx基底的pd纳米颗粒，所述ti3c2tx基底为多层结构，且至少部分pd纳米颗粒负载在所述ti3c2tx基底多层结构的层间。

2.根据权利要求1所述的碳化钛复合材料，其中，所述多层结构为30-80层；

3.根据权利要求1所述的碳化钛复合材料，其中，所述pd纳米颗粒的粒径为5-80nm，优选为5-40nm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的碳化钛复合材料，其中，相对于所述碳化钛复合材料的总重量，所述pd纳米颗粒的负载量为10-60重量％。

5.根据权利要求2或3所述的碳化钛复合材料，其中，所述pd纳米颗粒负载在所述ti3c2tx基底表面和所述ti3c2tx基底多层结构的层间。

6.一种碳化钛复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：在避光条件下，使含有ti3c2tx纳米片的分散液与pd纳米颗粒进行接触后，将接触后的产物进行固液分离的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述含有ti3c2tx纳米片的分散液通过将ti3c2tx纳米片分散于分散介质中而得到；

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述pd纳米颗粒与ti3c2tx纳米片的重量用量比0.1-0.6：1，优选为0.1-0.3：1；

9.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，所述固液分离为离心，所述离心的速度为3000-15000转/分钟，优选为6000-10000转/分钟；

10.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，所述ti3c2tx纳米片通过使用氢氟酸或氟化盐刻蚀前驱体ti3alc2而得到。

11.根据权利要求6-8中任意一项所述的方法，其中，所述pd纳米颗粒通过还原剂还原h2pdcl4溶液中的pd离子而得到。

12.根据权利要11所述的方法，其中，所述还原剂为水合肼、柠檬酸钠、硼氢化钠中的一种或多种，优选为柠檬酸钠或硼氢化钠。

13.一种氢气传感器，其特征在于，该氢气传感器包括：形成在电极表面的传感膜，所述传感膜含有权利要求1-5中任意一项所述的碳化钛复合材料或权利要求6-12中任意一项所述的方法制备得到的碳化钛复合材料。

14.一种氢气传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括：将权利要求1-5中任意一项所述的碳化钛复合材料或权利要求6-12中任意一项所述的方法制备得到的碳化钛复合材料涂覆在电极表面形成传感膜的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用有机溶剂将碳化钛复合材料分散后进行研磨，并将研磨料涂覆在电极表面形成传感膜；

16.根据权利要求14或15所述的氢气传感器，其中，所述传感膜的厚度为50-2000μm，优选为100-1000μm。

17.权利要求1-5中任意一项所述的碳化钛复合材料或权利要求6-12中任意一项所述的方法制备得到的碳化钛复合材料在制备氢气传感器中的应用。

技术总结
本发明涉及气体检测领域，具体地涉及一种碳化钛复合材料及其制备方法以及氢气检测应用。该碳化钛复合材料包括Ti<subgt;3</subgt;C2T<subgt;x</subgt;基底和负载在Ti<subgt;3</subgt;C2T<subgt;x</subgt;基底的Pd纳米颗粒，Ti<subgt;3</subgt;C2T<subgt;x</subgt;基底为多层结构，且至少部分Pd纳米颗粒负载在Ti<subgt;3</subgt;C2T<subgt;x</subgt;基底多层结构的层间。使用本发明的碳化钛复合材料的氢气传感器，在室温环境下能够对氢气进行高灵敏度、高选择性的检测。

技术研发人员：邱长坤,李庆润,安飞,姜慧芸,王世强,朱亮,王浩志
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/13