一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多孔硅的制备，多孔硅表面纳米钯掺杂，以及将其作为传感器对甲醛 气体的检测。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着人们生活水平的日益提高，人们对室内空气质量的要求也越来越高。 室内装修材料中含有的甲醛是室内重要的污染物之一，其毒性较大，具有潜在的致癌性，是 一种原生质毒物。世界卫生组织已将甲醛（HCHO)列为潜在危险致癌物质与重要的环境污 染物。然而目前有关甲醛检测的主要方法如分光光度法和色谱法，存在所需仪器体积较大， 费用较高，检测时间长，无法实现实时在线检测等缺点。因而，研制价格低廉，操作方便，可 实现现场即时检测的甲醛检测仪具有重要的现实意义。
[0003] 多孔硅具有较大的比表面积和较高的表面化学活性，易于吸附各种气体分子，可 有效实现对某种气体的检测。多孔硅气体传感器的检测原理主要以不同气体中其物理特 性的改变为基础，如电学性能的改变，气体分子进入多孔硅的微孔结构中，表面吸附的气体 分子改变了多孔层中自由载流子浓度，或由于孔内浓缩气体引起多孔硅导电性能和介电常 数发生变化；光学性能的变化，如光致发光（PL)，化学吸附引起的荧光碎灭或干涉现象。然 而，常规的多孔硅气敏元件多采用传统的电化学方法制备而成，该法所制备的多孔硅存在 因电流分布不均导致的多孔硅表面不平整、空洞分布不均等缺点；此外，单纯的多孔硅气敏 元件并不稳定，且易受其他气体干扰，选择性较差。
[0004] 采用铁钝化水热腐蚀法制备的多孔硅，其表面形貌更平整、孔径大小一致、分布均 匀，避免了电化学方法中因电流分布不均而导致的多孔硅表面不平整等缺点。此外，通过化 学浸渍法在多孔硅表面掺杂金属钯后，可显著提高其对甲醛气体的敏感性和选择性。该新 型钯-多孔硅甲醛复合传感器具有检测方便、造价低廉、灵敏性较高，且可实现实时在线检 测等优点。
【发明内容】
[0005] 本发明新型的目的，在于克服传统多孔硅制备因表面电流分布不均导致的多孔硅 表面不平整、孔洞分布不均匀的不利影响，采用铁钝化水热腐蚀法制备的表面平整、具硅柱 状排列且掺杂纳米钯的多孔硅复合元件作为气敏材料，可在室温下工作，对甲醛具有高选 择性，快速响应、恢复特性，可实现现场即时检测；该传感器体积小巧、结构简单，操作方便， 价格低廉，有望未来在甲醛传感器领域得到进一步推广和应用。
[0006] 本发明新型通过如下技术方案予以实现。
[0007] -种用于甲醛快速检测的新型钯-多孔硅传感器的制备方法，具有如下步骤：
[0008] (1)硅基片预处理
[0009] 将电阻率为0. 009 Ω · cm的p型单晶硅先后经98%浓硫酸与30%过氧化氢（体 积比为3 : 1)的混合液浸泡（直到硅片表面不再产生气泡为止）、去离子水冲洗、20%的氢 氟酸溶液浸泡20s左右、大量去离子水反复冲洗、无水乙醇超声清洗25min左右，以除去硅 片表面的氧化层、有机物杂质和油污；
[0010] (2)多孔硅制备
[0011] 采用铁钝化水热腐蚀法制备多孔娃，水热爸为100mL，填充系数为0. 7,腐蚀液由 12mol/L氢氟酸和0. 03mol/L硝酸铁的混合液组成，腐蚀时间为55min，腐蚀温度为135°C ;
[0012] (3)多孔娃表面金属钯的修饰
[0013] 将步骤（2)所制备的多孔硅，固定于阴极，置于氯化钯和氢氟酸混合电解液的电 解池中，反应30s，取出用大量去离子水冲洗后干燥；
[0014] (4)钯-多孔硅气敏元件的组装
[0015] 将步骤⑶所制备的钯-多孔娃，通过真空镀膜法在其表面两端蒸镀铝膜作为电 极，然后用导电银胶在电极上黏连金属铜导线，导线两端与检测电路相连，制成钯-多孔硅 气敏元件。
[0016] 所述步骤⑴的娃基片衬底的尺寸为I. 5cmX I. 5cm。
[0017] 所述步骤（2)的多孔硅层的平均孔径为130nm，厚度为3 μ m，孔隙率为78%。
[0018] 所述步骤（3)中的氯化钯和氢氟酸浓度分别为5mmol/L和0. 5mol/L。
[0019] 本发明具有如下有益效果：
[0020] ①本文采用铁钝化水热腐蚀法法制备多孔硅，比传统的电化学法制备出的多孔硅 表面更平整，孔洞大小一致，分布均匀，表面孔成硅柱状排列，更利于气体吸附；
[0021] ②采用浸渍沉积法法在多孔硅表面修饰金属钯，制成钯-多孔硅复合传感器，有 效提高了多孔硅稳定性，及对甲醛检测的灵敏性和选择性；
[0022] ③甲醛检测系统采用简易电路，通过数字万用表进行电学信号检测，使检测操作 更方便，实现了甲醛现场即时检测的可能。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯-多孔硅传感器元件的结构示 意图；
[0024] 图1中的附图标记为：
[0025] 1 娃基片衬底 2 多孔娃层
[0026] 3--错电极负极 4--错电极正极
[0027] 图2是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件的电子扫 描显微镜图；
[0028] 图3是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件亲和度与 氨气、乙醇、甲醛气体浓度的对应关系；
[0029] 图4是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件的电阻与 氨气、乙醇、甲醛气体浓度的对应关系；
[0030] 图5是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件的响应/恢 复时间与甲醛气体浓度的对应关系；
[0031] 图6是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件对甲醛气 体稳定性测试曲线图。 图7是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯多孔硅传感器元件对甲醛气体检 测的标准曲线。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例对本发明新型作进一步详细说明。实施例中所涉及的试剂均 采用市售化学纯试剂。
[0033] 图1是本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯-多孔硅传感器元件的结构示 意图，图中娃基片衬底（1)为p型单晶娃片，尺寸为I. 5cmX I. 5cm ;娃基片衬底的上面设 置有多孔硅层（2)，该多孔硅层的平均孔径为130nm，厚度为3 μ m，孔隙率为78 %;多孔硅层 的上面设置有铝电极负极（3)和铝电极正极（4)。
[0034] 本发明新型一种用于甲醛快速检测的新型钯-