基于Nafion燃料电池型的CO气体传感器的研究

【摘要】基于Nafion质子交换膜燃料电池型的CO气体传感器具有可常温启动、本质安全、精度高和稳定性好等优点，有着良好应用前景。合理的Nafion基传感器结构是传感器实用化的保障，提高传感器的敏感特性是传感器应用的基础。本文通过设计具有新型高效供水系统的传感器结构来提高传感器的稳定性。通过敏感电极（贵金属材料）颗粒尺寸的纳米化来提高传感器的气敏特性，研制出具有高敏感特性的CO气体传感器。本文主要研究的内容包括以下三个方面：第一，根据Nafion质子交换膜的物理化学性质和传感器的敏感机理设计传感器件的外观形状和内部结构，主要包括活性炭过滤帽、Pt敏感电极、Nafion膜、对电极、分隔层和储水罐等部分。该设计不仅保证了Nafion质子交换膜正常工作时所需要的一定湿度条件，而且有效地排除了杂质气体甲醇等对传感器正常工作的影响。第二，以H2PtCl6和NaBH4为反应物质，采用化学沉积法制备Pt/Nafion敏感电极。对影响传感器性能的关键技术Pt敏感电极的制备工艺条件进行了探索，确立了化学沉积法制备Pt/Nafion敏感电极的最佳工艺条件：反应物H2PtCl6溶液浓度为5mM、NaBH4溶液浓度为30mM、NaBH4溶液的pH值为13。对所制备的Pt/Nafion敏感电极进行了SEM表征，研究了传感器Pt/Nafion敏感电极的形貌特征与传感器气敏性能之间的关系。利用最佳工艺条件制备的Nafion膜电极制作的传感器对CO气体表现出较好的气敏特性。测试400ppmCO时，传感器的响应电流可达到107nA，响应时间约为39s，恢复时间约为49s。第三，以H2PtCl6和NaBH4为反应物质，采用浸渍-还原法制备Pt/Nafion敏感电极。SEM测试结果表明，Pt粒子颗粒直径在30nm左右。利用浸渍-还原法制备的Nafion膜电极所制作的传感器对CO气体表现出很好的气敏特性。测试400ppmCO时，传感器的响应电流可达到400nA，响应时间约为30s，恢复时间约为26s。利用浸渍-还原法所制备的Pt/Nafion敏感电极其表现出的气敏特性优于利用化学沉积法所制备的Pt/Nafion敏感电极。总之，本论文设计和制作了一种可在室温下工作的新型结构的Nafion基CO气体传感器。通过利用化学沉积法与浸渍-还原法制备Pt/Nafion敏感电极，研究了在不同条件下，Pt/Nafion敏感电极颗粒的生长规律，并测试了Pt/Nafion敏感电极的气敏特性，分析了表面形貌对于气敏特性的影响，对比了化学沉积法与浸渍-还原法对于制备敏感电极的优劣。
【作者】刘英伟；
【导师】卢革宇；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】Nafion；CO传感器；燃料电池型；化学沉积法；浸渍还原法；敏感电极；

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