基于声表面波的氢气快速检测方法研究

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氢气是一种重要的能源载体和化工原料,具有来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点,对推进节能减排,调整能源产业结构和应对全球气候变化有重要意义。然而氢气易燃易爆,当空气中氢气含量达到4%-75%时即有可能发生爆炸,人类感官无法检测无色无味的氢气,因此需要其他手段来检测它的存在并量化其浓度。氢气易燃易爆的特点使得快速监测仪器成为氢能使用中必备仪器之一。本文针对传统氢气传感器所面临的响应时间长、检测范围有限、工作温度高等问题,结合金属钯对氢原子的特异选择性反应,提出了基于两种不同敏感材料钯镍合金薄膜和钯铜纳米线的具有常温工作和快速响应的声表面波(SAW)氢气传感方法。从响应机理的理论分析、敏感膜材料的合成制备和传感器性能评价等方面开展工作,达到快速检测氢气的研究目标。  本文首先对基于SAW的氢气传感器敏感机理开展理论分析,介绍了声表面波的基本概念,再对金属钯与氢原子可逆反应过程及对声表面波传输特性的作用机制做了分析,理论解释了结合敏感材料的声表面波传感器具有更快响应速度的内在机理。  为验证理论分析结果,利用针对氢气有特异选择性的钯镍合金及钯铜纳米线气敏材料,及采用铝电极,中心频率为150MHz的SiO2/128°YX-LiNbO3的声表面波延迟线型传感器件为频控元件的差分式双通道振荡器结构,研制了声表面波氢气传感器实验样机。为改善系统稳定性,振荡器采用在最低损耗点起振的方式提高其频率稳定度。  另外,本文搭建了测试平台对所研制的SAW氢气传感器实验样机开展了氢气传感实验。实验分析了钯镍合金薄膜厚度对传感响应的影响,探索了钯铜纳米线的传感特性。实验结果显示,所研制的SAW传感器在氢气检测中表现出快速响应(<3s)以及良好的重复性等特点。本文工作对于推进SAW氢气传感技术的实用化以达到提高氢气的实时监测能力、预防爆炸事故的发生具有重要的现实意义。
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