一种空间用氢传感器及其制备方法与流程

本发明属于氢传感器技术，主要涉及一种空间用氢传感器及其制备方法。

背景技术：

低地球轨道的空间环境下，氢元素存在状态不同于地面环境中以氢气的形势存在，空间环境下，由于等离子体环境中的高能电子及太阳光的辐射作用下，氢有可能同时以单原子h或者h2两种状态存在，因此利用常规氢气检测方法容易造成较大的误差。另外，空间环境下的氢的浓度非常低，需要利用较高探测精度的传感器对其进行测试，同时其反应时间及恢复能力都有较高的要求。最后，通常空间环境下，特别是低地球轨道的氢测量需要将传感器搭载在卫星上进行测试，由于卫星对于载荷有严格的体积、功耗等方能的限制，所以传感器需要在这些方面进行约束。

地面采用电阻、光学或者热学的传感器，要应用到空间环境中，因为空间环境中温度波动范围极大，热敏的氢传感器无法适用；另外空间环境低浓度h的情况，地面采用的电阻或者光学的传感器敏感度均达不到要求。

因此亟需一种能够应用于空间环境的氢传感器。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种空间用氢传感器及其制备方法，该氢传感器以还原型氧化石墨烯通过化学法掺杂钯纳米颗粒作为氢传感器的敏感层，金属叉指电极作为传感器的测试电极，并在下方设置温控电极，用于稳定空间环境下传感器温度测试范围以及气体探测恢复、相应时间能够，满足了空间环境低浓度氢h探测的需求。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种空间用氢传感器，其特征在于，该氢传感器的基底上层制备叉指电极，下方设置温控电极，其中所述叉指电极上通过旋涂的方式涂敷有还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒。

进一步地，基底的面积为20mm×20mm；温控电极的控温范围为25℃—40℃之间。

进一步地，基底为刚性基底或者柔性基底，其中刚性基底包括si、sio2、al2o3、sic；柔性基底包括ptfe、聚四氟乙烯、环氧树脂、聚酰亚胺和聚碳酸酯。

进一步地，制备过程具体为：

步骤1、在氢传感器的基底的上面制备叉指电极，在基底的下面制备温控电极；

步骤2、制备氧化石墨烯，具体流程如下：

在2l的烧杯中分别加入浓度为98％的浓硫酸230ml以及硝酸钠5g，冰浴条件下加入325目天然石墨粉10g，搅拌3h后加入高锰酸钾30g，继续搅拌30min，将反应温度恢复到室温，然后加热回流20min；加入去离子水1.2l以及浓度为30％的双氧水25ml，将溶液进行抽滤，并用稀盐酸水溶液对产物进行洗涤，最终在50℃下烘干，获得氧化石墨烯；

步骤3、利用步骤2中制备的氧化石墨烯制备还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒，具体流程如下：

将0.5～0.7g氧化石墨烯、0.1g氯化钯一起加入1l去离子水中，将混合物充分搅拌2min后，在冰浴条件下将1～2g硼氢化钠溶解在去离子水中，室温下搅拌2.5h，离心并收集沉淀，然后利用水合肼进行还原，离心后40℃干燥即获得还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒，其中颗粒大小为5nm；

其中将氧化石墨烯的质量根据最终要求的目标厚度进行经验性调整；硼氢化钠的质量依据最终要求的目标颗粒大小进行经验性调整；

步骤4、在将步骤3中制备的还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒通过旋涂的方式涂敷在步骤1中制备的叉指电极上。

进一步地，步骤1中，温控电极及叉指电极的制备都是先利用光刻法在基底上沉积图形化的电路掩膜，然后通过磁控溅射的方法沉积上au电极。

有益效果：

1、本发明中制备的氢传感器以还原型氧化石墨烯通过化学法掺杂钯纳米颗粒作为氢传感器的敏感层，金属叉指电极作为传感器的测试电极，并在下方设置温控电极，用于用于保证空间环境下传感器的工作温度、重复探测能力并且提高响应时间以满足空间环境下低浓度h探测的需求。

由于还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒在实际应用于一般作为石油裂解的催化剂、同时也在锂离子电池中有应用，作为电池的电极，其应用仅限于催化作用，或者直接用于电极，而在本发明中，使用还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒用的是其化学性质和微观结构的特殊性，在本氢传感器中，还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒作为敏感膜暴露在具有h或者h2的环境中时，金属钯可以吸附环境中的h形成pdhx，pdhx结构中富集的大量电子从钯纳米颗粒传递到还原型氧化石墨烯材料当中，这些电子会中和还原型氧化石墨烯中的空穴，从而改变还原型氧化石墨烯材料的电阻，通过测试电阻的变化过程就可以获得对h浓度的定量测量。

2、本发明中通过钯纳米颗粒与h的吸脱附平衡，动态的获得空间环境中的h浓度，由于钯纳米颗粒具有较大的比表面积以及石墨烯材料对于电阻变化的高灵敏，对于空间环境中低浓度h测试来说具有较高的灵敏度。

3、该方法通过旋涂的方式可以将敏感材料涂敷在质量较小的基底上，能够尽可能满足卫星体积、功耗等方面的要求。

4、本发明中采用钯纳米颗粒附着在柔性的石墨烯表面上，可以有效的避免贵金属钯的氢脆现象。

5、本发明中石墨烯@钯纳米颗粒敏感层耐高低温及抗辐射能力较强，能够降低空间环境的其他因素对传感器性能的不利影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，其中1代表au叉指电极，2代表还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒敏感层，3代表基底，4代表温控电极；该图是一个侧视图，其中叉指电极的叉指部分隐藏在敏感层之中，即所述敏感层是涂覆在叉指上的，而图中露出敏感层的为叉指电极的支撑框架部分，用以指出叉指电极存在的位置。

图2所示为本发明测试电极及还原型氧化石墨烯沉积过程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1、如图1所示，氢传感器以多层结构为主，其中结构的主要顺序自上而下依次为还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒/叉指电极/基底/温控电极。还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒全部通过化学法制备完成，利用旋涂的方式将还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒涂敷在已经制备好的叉指电极基底上，基底的面积为20mm×20mm。

实施例1：

电极制备：

利用丙酮、去离子水对单抛si片进行超声清洗3次，在利用氮气吹扫干燥；

通过光刻掩膜法将图形化的au温控电极以及au检测叉指电极沉积在si片的表面；

氧化石墨的制备过程为：

在2l的烧杯中分别加入浓硫酸(230ml，98％)，硝酸钠(5g)，冰浴条件下加入325目天然石墨粉10g，继续搅拌3h混合均匀后加入高锰酸钾(30g)，继续搅拌30min，将反应温度恢复到室温，然后加热回流20min。加入去离子水1.2l以及双氧水(30％,25ml)从而使溶液有棕褐色变为金黄色，将溶液进行抽滤，并用稀盐酸水溶液对产物进行多次洗涤，最终在50℃下烘干，获得氧化石墨。

还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒制备过程为：

0.7g氧化石墨、0.1g氯化钯一起加入1l去离子水中，将混合物充分搅拌后2min。在冰浴条件下将2g硼氢化钠溶解在去离子水中，加入到上述溶液中，室温下搅拌2.5h，离心并收集沉淀，然后利用水合肼进行还原(1/1000v/v)，离心后40℃干燥即获得还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒。钯纳米颗粒的大小为5nm。

将还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒超声分散在乙醇中，制备成0.1％wt的分散液

取200μl还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒的乙醇溶液，滴加在叉指电极的表面，设置旋转涂布仪的转速为：高转速2000rpm，5s；低转速1000rpm，35s

实施例2：

电极制备：

利用丙酮、去离子水对单抛si片进行超声清洗3次，在利用氮气吹扫干燥；

通过光刻掩膜法将图形化的au温控电极以及au检测叉指电极沉积在si片的表面；

氧化石墨的制备过程为：

在2l的烧杯中分别加入浓硫酸(230ml，98％)，硝酸钠(5g)，冰浴条件下加入325目天然石墨粉10g，继续搅拌3h混合均匀后加入高锰酸钾(30g)，继续搅拌30min，将反应温度恢复到室温，然后加热回流20min。加入去离子水1.2l以及双氧水(30％,25ml)从而使溶液有棕褐色变为金黄色，将溶液进行抽滤，并用稀盐酸水溶液对产物进行多次洗涤，最终在50℃下烘干，获得氧化石墨。

还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒制备过程为：

0.7g氧化石墨、0.1g氯化钯一起加入1l去离子水中，将混合物充分搅拌后2min。在冰浴条件下将1g硼氢化钠溶解在去离子水中，加入到上述溶液中，室温下搅拌2.5h，离心并收集沉淀，然后利用水合肼进行还原(1/1000v/v)，离心后40℃干燥即获得还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒。钯纳米颗粒的大小为8nm。

将还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒超声分散在乙醇中，制备成0.1％wt的分散液

取200μl还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒的乙醇溶液，滴加在叉指电极的表面，设置旋转涂布仪的转速为：高转速2000rpm，5s；低转速1000rpm，35s。

实施例3：

电极制备：

利用丙酮、去离子水对单抛si片进行超声清洗3次，在利用氮气吹扫干燥；

通过光刻掩膜法将图形化的au温控电极以及au检测叉指电极沉积在si片的表面；

氧化石墨的制备过程为：

在2l的烧杯中分别加入浓硫酸(230ml，98％)，硝酸钠(5g)，冰浴条件下加入325目天然石墨粉10g，继续搅拌3h混合均匀后加入高锰酸钾(30g)，继续搅拌30min，将反应温度恢复到室温，然后加热回流20min。加入去离子水1.2l以及双氧水(30％,25ml)从而使溶液有棕褐色变为金黄色，将溶液进行抽滤，并用稀盐酸水溶液对产物进行多次洗涤，最终在50℃下烘干，获得氧化石墨。

还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒制备过程为：

0.5g氧化石墨(最终形成的厚度不一样)、0.1g氯化钯一起加入1l去离子水中，将混合物充分搅拌后2min。在冰浴条件下将1g硼氢化钠溶解在去离子水中，加入到上述溶液中，室温下搅拌2.5h，离心并收集沉淀，然后利用水合肼进行还原(1/1000v/v)，离心后40℃干燥即获得还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒。钯纳米颗粒的大小为8nm。

将还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒超声分散在乙醇中，制备成0.1％wt的分散液

取200μl还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒的乙醇溶液，滴加在叉指电极的表面，设置旋转涂布仪的转速为：高转速2000rpm，5s；低转速1000rpm，35s。

实施例4：

电极制备：

利用丙酮、去离子水对单抛si片进行超声清洗3次，在利用氮气吹扫干燥；

通过光刻掩膜法将图形化的au温控电极以及au检测叉指电极沉积在si片的表面；

氧化石墨的制备过程为：

在2l的烧杯中分别加入浓硫酸(230ml，98％)，硝酸钠(5g)，冰浴条件下加入325目天然石墨粉10g，继续搅拌3h混合均匀后加入高锰酸钾(30g)，继续搅拌30min，将反应温度恢复到室温，然后加热回流20min。加入去离子水1.2l以及双氧水(30％,25ml)从而使溶液有棕褐色变为金黄色，将溶液进行抽滤，并用稀盐酸水溶液对产物进行多次洗涤，最终在50℃下烘干，获得氧化石墨。

还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒制备过程为：

0.7g氧化石墨、0.1g氯化钯一起加入1l去离子水中，将混合物充分搅拌后2min。在冰浴条件下将1g硼氢化钠溶解在去离子水中，加入到上述溶液中，室温下搅拌2.5h，离心并收集沉淀，然后利用水合肼进行还原(1/1000v/v)，离心后40℃干燥即获得还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒。钯纳米颗粒的大小为8nm。

将还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒超声分散在乙醇中，制备成0.1％wt的分散液

取100μl还原型氧化石墨烯@钯纳米颗粒的乙醇溶液，滴加在叉指电极的表面，设置旋转涂布仪的转速为：高转速2500rpm，5s；低转速1000rpm，35s。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。