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一種光學氫氣傳感器及其設計方法

【技術領域】

[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器技術領域，尤其涉及一種光學氫氣傳感器及其設計方法。

【背景技術】

[0002]隨著社會的發(fā)展，人類對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，傳統(tǒng)能源的燃燒造成了嚴重的環(huán)境污染。而氫氣是一種極其潔凈的能源，其氧化產物只是水，且氫氣可以通過光解水制備，因而氫氣是一種可再生能源。目前，氫能已被廣泛的應用在燃料電池和內燃機中。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，氫能的廣泛應用和工業(yè)中氫氣的應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測量電阻變化來實現(xiàn)的，但電阻的測量無法實現(xiàn)遠距離遙控地測量，而且在測量中有可能產生電火花，其對易燃易爆的氫氣來說極其危險。目前來說，最常用的氫氣傳感器是鈀基傳感器，當鈀暴露在氫氣中時，會吸附和吸收氫氣，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，不易被測量出來。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種光學氫氣傳感器及其設計方法，以解決現(xiàn)有技術中無法實現(xiàn)氫氣的光學傳感的問題。

[0005]本發(fā)明的第一個方面是提供一種光學氫氣傳感器的設計方法，包括:

[0006]將金-鈀納米結構沉積在透明基座上，形成金-鈀納米結構的陣列；

[0007]利用所述金-鈀納米結構的陣列中金的表面等離激元共振來檢測鈀與氫氣的相互作用而產生的變化；

[0008]根據所述變化產生共振峰的變化，并通過光學儀器對所述共振峰進行測量，從而形成光學氫氣傳感器。

[0009]進一步的，所述金-鈀納米結構的生成方法包括:

[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，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-鈀納米結構的水溶液。

[0015]進一步的，所述透明基座是經過清洗和修飾、使其形成親水的、負電性表面的透明基座。

[0016]進一步的，所述將金-鈕納米結構沉積在透明基座上，形成金-鈕納米結構的陣列的操作包括:

[0017]將所述金-鈀納米結構的水溶液進行再次離心處理，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-鈀納米結構的水溶液中的上清液，將剩余的金-鈀納米結構的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化銨的濃度調控至20 ymol/L至2mmol/L，形成金-鈕納米顆粒溶液；

[0019]將所述經過清洗和修飾、使其形成親水的、負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小時后取出所述透明基座并進行干燥處理，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-鈀納米結構的陣列；

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

[0022]進一步的，所述金-鈕納米結構的陣列中金-鈕納米顆粒的濃度為10至100/ μπι2。

[0023]進一步的，所述采用氣體等離子體技術除去所述金-鈀納米結構的陣列中金-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、氮氣等離子體、或氮氣和氫氣混合的等離子體技術對所述金-鈕納米結構的陣列進行清洗，從而除去所述金-鈕納米結構的陣列中金-鈕納米顆粒表面的十六烷基三甲基溴化銨分子。

[0025]進一步的，所述將剩余的金-鈀納米結構的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化銨的濃度調控至20 ymol/L至2mmol/L的操作為:

[0026]在所述剩余的金-鈀納米結構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]進一步的，所述進行干燥處理的操作包括采用氮氣吹干的方法。

[0028]進一步的，所述的透明基座包括普通玻璃、有機玻璃、氧化銦錫玻璃和氟氧化錫玻璃。

[0029]進一步的，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所述透明基座進行清洗，然后采用97%酒精進行超聲清洗20分鐘，最后取出并用氮氣吹干；

[0030]若所述透明基座采用的是有機玻璃、氧化銦錫玻璃或氟氧化錫玻璃，則首先采用97%酒精對所述透明基座進行超聲清洗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]進一步的，所述二氧化鈦薄膜采用鈦酸四乙酯作為前驅體，采用鹽酸做為水解催化劑，采用三嵌段共聚物做導向劑，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)明的另一個方面是提供一種光學氫氣傳感器，包括:金-鈀納米結構和透明基座，其中，所述金-鈀納米結構沉積在所述透明基座上voc氣體檢測儀，從而形成金-鈀納米結構的陣列；利用所述金-鈀納米結構的陣列中金的表面等離激元共振來檢測鈀與氫氣的相互作用而產生的變化；根據所述變化產生共振峰變化，并通過光學儀器對所述共振峰進行測量。

[0033]采用上述本發(fā)明技術方案的有益效果是:通過將金-鈀納米結構沉積在透明基座上，從而形成金-鈀納米結構的陣列，由于鈀和金緊密接觸，使得金-鈀納米結構的陣列傳感靈敏度極高，能夠實現(xiàn)極低濃度的探測。

【附圖說明】

[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例氫氣探頭，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

[0035]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種光學氫氣傳感器的設計方法的流程示意圖；

[0036]圖2為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例提供的金-鈀納米結構的金-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)明的又一個優(yōu)選實施例提供的金-鈀納米棒沉積在玻璃片上的掃描電鏡圖；

[0038]圖4為本發(fā)明的再一個優(yōu)選實施例提供的金-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)明實施例提供的一種光學氫氣傳感器在傳感過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)明實施例提供的一種光學氫氣傳感器在傳感過程中其表面等離激元共振峰和強度隨氫氣濃度變化的曲線圖。

【具體實施方式】

[0041]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述有毒氣體報警器，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

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

[0043]步驟101，將金-鈕納米結構沉積在透明基座上，形成金-鈕納米結構的陣列；

[0044]步驟102，利用金-鈀納米結構的陣列中金的表

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