- 上海微系統(tǒng)所采用MEMS芯片氣相原位TEM技術揭示氫氣傳感器的失效機制
- 來源：上海微系統(tǒng)與信息技術研究所 發(fā)表于 2022/11/7
近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員李昕欣團隊采用基于MEMS芯片的氣相原位透射電鏡（TEM）表征技術，探究了Pd-Ag合金納米顆粒催化劑在MEMS氫氣傳感器工況條件下的失效機制（圖1）。4月13日，相關研究成果作為Supplementary Cover論文，以In Situ TEM Technique Revealing the Deactivation Mechanism of Bimetallic Pd-Ag Nanoparticles in Hydrogen Sensors為題，發(fā)表在Nano Letters上。
隨著低碳經(jīng)濟的快速發(fā)展，氫能作為理想的清潔能源應用于各個領域，如氫燃料電池汽車。為了確保氫氣的安全使用，迫切需要開發(fā)具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性且低功耗的氫氣傳感器。李昕欣/許鵬程研究團隊在國家重點研發(fā)計劃“硅基氣體敏感薄膜兼容制造及產業(yè)化平臺關鍵技術研究”的支持下，開展了MEMS低功耗氫氣傳感器的研究工作。
在半導體敏感材料表面修飾貴金屬催化劑是提升氫氣傳感器性能（如靈敏度）的有效方法。然而，半導體氣體傳感器的工作溫度高達數(shù)百攝氏度。在長期的高溫工作環(huán)境下，金屬催化劑的活性易衰減，引起半導體氣體傳感器的性能下降甚至失效，阻礙了該類傳感器的實用化。傳統(tǒng)的材料表征方法通常只能分析敏感材料失活前后微觀形貌、結構及成分等的變化，缺乏在工況條件尤其是氣氛條件下原位表征敏感材料的能力，難以分析半導體氣體傳感器的失效機制。
該研究使用氣相原位TEM實驗，在工況條件下觀測到Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的形貌和物相演變全過程，揭示了該合金納米催化劑在不同工作溫度下的失活機制，并據(jù)此對MEMS氫氣傳感器進行優(yōu)化，有效推進了氫氣傳感器的實用化。原位TEM實驗結果表明（圖3），當半導體氫氣傳感器在300 ℃工作時，相鄰近的Pd-Ag合金納米顆粒易發(fā)生融合、顆粒長大現(xiàn)象，且顆粒的結晶性提高。Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的粒徑增大、缺陷減少，使其催化活性降低，引起氫氣傳感器的靈敏度出現(xiàn)衰減。當氫氣傳感器在更高溫度（500 ℃）下工作時，Pd-Ag合金納米顆粒進一步發(fā)生相偏析，Ag元素從合金相中析出，同時生成了PdO相，導致催化劑喪失了協(xié)同增強效應，使氫氣傳感器的靈敏度大幅下降甚至失效。
在上述失效機制的指導下，科研團隊進一步優(yōu)化了Pd-Ag合金催化劑的元素組成、負載量及工作溫度，并使用實驗室獨立研發(fā)的集成式低功耗MEMS傳感芯片，研制出新一代的氫氣傳感器。該氫氣傳感器具有靈敏度高（檢測下限優(yōu)于1 ppm）、長期穩(wěn)定性好（在300 ℃下連續(xù)工作一個月后，對100 ppm H2的響應值衰減小于1%）、功耗低（300 ℃下持續(xù)工作，功耗僅為22 mW）。該研究采用氣相原位TEM技術來探討氣體傳感器的失效機制，為氣體傳感器的理論研究與實用化提供了新的研究方式。目前，該MEMS氫氣傳感器已在汽車加氫站等領域試應用，相關應用工作正在積極推進。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金及中科院儀器研制項目等的支持。
圖1.采用MEMS芯片氣相原位TEM技術揭示氫氣傳感器失效機制的示意圖
圖2.該成果被選為Nano Letters當期的Supplementary Cover論文
圖3.原位TEM實驗實時記錄合金催化劑的融合過程
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