一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构及其制备方法

本发明属于碳纳米管气敏传感器领域，具体涉及一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构及其制备方法。

背景技术：

1、在实验室研究过程中，通过监测co2还原转化过程中的中间产物通过采用气相色谱仪等昂贵科学仪器，能够准确地分析甲烷等中间产物的种类和浓度。但是，在工业化生产过程中如何快速在线监测中间产物浓度的变化对于co2还原转化系统稳定运行至关重要。基于纳米敏感材料的高灵敏气体传感器利用纳米材料巨大的比表面积、丰富的活性位点、独特的尺寸效应和宏观量子隧道效应等可极大地提升了气体敏传感器的性能，可以满足快速在线监测的技术需求。例如，碳纳米管是一种具有巨大比表面积、优异物理化学特性的准一维纳米材料，已经被用于构筑各种高灵敏室温气体传感器件。然后，巨大的比表面积在提供大量活性位点的同时，也为其他气体分子吸附提供了便利。这导致所研制的碳纳米管气体传感器随着工作时间的增加，其表面吸附的其他气体分子在一定程度上抑制了器件的探测灵敏度和器件的长期稳定性。为了推动碳纳米管甲烷传感器的实用化进程，必须研究开发能够长期稳定工作的新型敏感结构及其制备方法。

2、

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构及其制备方法，可以兼顾甲烷检测灵敏度和器件的长期稳定性，推动传感器在co2电还原装备中的可靠性应用。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构，所述敏感结构包括依次排布的单壁碳纳米管网络层、气密阻挡层、贵金属催化剂层。气密阻挡层设置在单壁碳纳米管网络表面，贵金属催化剂层负载在气密阻挡层的表面。

4、优选地，所述单壁碳纳米管网络层的厚度为5-50nm。

5、优选地，所述气密阻挡层的厚度为0.1-5.0nm，气密阻挡层的材料包括氧化铝、氧化硅中的一种。气密阻挡层可阻隔外界气体分子干扰，提高长期稳定性。阻挡层采用的氧化物是耐水、氧的材料，同时为了充分发挥单壁碳纳米管自身的气敏性能，本发明采用是绝缘氧化物。

6、优选地，所述贵金属催化剂层包括铂、钯中的一种或几种，贵金属催化剂的粒径尺寸为2-8nm。

7、本发明还提供了一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构的制备方法，包括如下步骤：

8、s1、在基底表面旋涂单壁碳纳米管溶液，制备单壁碳纳米管网络层；

9、s2、将气密阻挡层叠在单壁碳纳米管网络层的表面；

10、s3、在气密阻挡层的表面负载贵金属催化剂层，即得所述单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构。

11、优选地，步骤s1中，所述单壁碳纳米管溶液中单壁碳纳米管的浓度为0.01～0.1mg/l；旋涂的速率为500-2000rpm，旋涂时间为2-20秒。单壁碳纳米管溶液旋涂后加热去除溶剂。

12、优选地，步骤s2中，所述气密阻挡层采用原子层沉积技术制备。

13、优选地，步骤s3中，贵金属催化剂层的负载是通过旋涂前驱体溶液并加热还原的方式制备获得，具体为：将前驱体溶液滴加气密阻挡层的表面，待溶液铺展开后，再滴加还原剂溶液，加热即得贵金属催化剂。前驱体溶液为0.01mol/l氯铂酸水溶液，还原剂溶液为水合肼；前驱体溶液、还原剂溶液的体积比例为5：1-1：2。负载的贵金属催化剂可发挥贵金属粒子的催化作用以及敏化作用，为甲烷分子提供更多的吸附和反应活性位点。

14、本发明还提供了一种所述单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构在检测甲烷气体的应用。

15、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

16、(1)本发明在单壁碳纳米管网络与贵金属催化剂之间引入气密阻挡层来避免单壁碳纳米管与外界气体分子直接接触，提高长期稳定性。并利用量子隧穿效应实现气体分子与单壁碳纳米管之间的电荷转移，实现对甲烷分子的灵敏探测；

17、(2)该敏感结构具有结构简单、便于操作、成本低等突出优点，可满足碳纳米管气体传感器长期稳定性的实用要求。

技术特征：

1.一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构，其特征在于，所述敏感结构包括依次排布的单壁碳纳米管网络层、气密阻挡层、贵金属催化剂层。

2.根据权利要求1所述的敏感结构，其特征在于，所述单壁碳纳米管网络层的厚度为5-50nm。

3.根据权利要求1所述的敏感结构，其特征在于，所述气密阻挡层的厚度为0.1-5.0nm，气密阻挡层的材料包括氧化铝、氧化硅中的一种。

4.根据权利要求1所述的敏感结构，其特征在于，所述贵金属催化剂层中的贵金属包括铂、钯中的一种或几种。

5.一种如权利要求1所述的敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述单壁碳纳米管溶液中单壁碳纳米管的浓度为0.01～0.1mg/l；旋涂的速率为500-2000rpm，旋涂时间为2-20秒。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述气密阻挡层采用原子层沉积技术制备。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，贵金属催化剂层的负载是通过旋涂前驱体溶液并加热还原的方式制备获得，具体为：将前驱体溶液滴加气密阻挡层的表面，待溶液铺展开后，再滴加还原剂溶液，加热即得贵金属催化剂。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，前驱体溶液为氯铂酸水溶液，还原剂溶液为水合肼；前驱体溶液、还原剂溶液的体积比例为5：1-1：2。

10.一种如权利要求1所述的敏感结构在检测甲烷气体中的应用。

技术总结
本发明涉及一种单壁碳纳米管甲烷传感器的敏感结构及其制备方法，器件的敏感结构由单壁碳纳米管网络、气密阻挡层和贵金属催化剂等组成。其制备过程包括：S1，所述的单壁碳纳米管网络通过在基底上旋涂含有单壁碳纳米管的溶液来制备；S2，将气密阻挡层叠在单壁碳纳米管网络表面阻隔外界气体分子干扰，提高长期稳定性，S3，在气密阻挡层表面负载贵金属催化剂，发挥贵金属催化作用以及敏化作用，为甲烷分子提供更多的吸附和反应活性位点。本发明的甲烷传感器的敏感结构可有效阻挡其他分子吸附，提高甲烷分子检测灵敏度以及长期稳定性，在二氧化碳还原系统中的甲烷浓度检测领域具有良好的应用前景。

技术研发人员：魏浩,苏言杰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13