一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器的制作方法

本发明属于氢气传感器领域，具体涉及一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器。

背景技术：

氢能源具有分布广泛、可再生永不枯竭、无污染、能量密度大和应用面广等优点，作为现如今最理想的清洁能源之一，获到了全科学界的关注，但氢气是一种易燃易爆的气体，室温下在空气中的爆炸浓度极限为4.65%，因此，研究一种对氢气快速响应、安全可靠的传感器具有重要的意义。

pd是一种较好的储氢材料，也是常用的室温氢敏材料。petrtobiska等制备出一种小型化、高效化的氢传感器。这种传感器是在光纤纤芯上镀一层pd膜作为氢敏元件，通过观测元件的光学性质变化来监测低浓度的氢气，检测效果优异。

然而传统镀pd膜传感器室温下对氢气响应速度慢、易产生氢脆等问题，因此早在1999年，cheng等已经开始了pd复合膜的研究，并成功研制了具有优良氢敏性能的钯镍复合膜氢气传感器，但这种传感器只能在100℃以上使用。2008年高翔等分别用电沉积和电镀法制备了钯镍复合膜，研究了实验工艺参数对制备复合膜的形貌和厚度的影响，并将其作为氢气传感器的敏感材料，这是此类工作的一个新进展。随后，我国学者也对pd合金氢敏传感器进行继续研究，致力于开发出能在室温下工作、响应速度快的氢气传感器。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器，氢气传感器的传感膜层结构由钯金钯复合纳米薄膜组成，钯金钯敏感纳米薄膜吸收氢气后折射率和应力会发生变化，通过监测透射光谱的变化以实现对不同浓度氢气的监测。从而解决传统pd膜传感器室温下对氢气响应速度慢、易产生氢脆等问题。

本发明通过以下技术方案实现：一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器，由放大自发辐射光源（1），偏振片（2），偏振控制器（3），测试气室（4），流量计（5），氢气和氮气源（6），传感器（7），光谱仪（8）组成；其特征在于：传感器（7）由镀钯金钯复合纳米薄膜（9）的啁啾倾斜光纤光栅（10）组成并完全密封在测试气室（4）中，放大自发辐射光源（1）出射的光经偏振片（2）入射到偏振控制器（3）中然后进入传感器（7）左端，氢气和氮气源（6）通过进气口（11）往测试气室（4）中通入氢气和氮气混合气体，通过流量计（5）监控测试气室（4）内氢气的浓度变化，测试气室（4）右端接光谱仪（8），通过监测透射光谱的变化可以实现对不同浓度氢气的监测。

所述传感器（7）上的啁啾倾斜光纤光栅（10）镀膜前进行预处理，分别用有机溶剂乙醇、丙酮和甲醇超声清洗5分钟、用体积比为7:3的浓h2so4和h2o2溶液在80℃下处理15分钟。

使用抗坏血酸作为还原剂，使用浓度为1.25毫摩每升的h2pdcl4溶液在啁啾倾斜光纤光栅（10）上沉积生长20纳米厚pd纳米薄膜

室温下将镀有钯膜的啁啾倾斜光纤光栅（10）浸入0.01%氯金酸和0.4毫摩尔盐酸羟胺的混合溶液中沉积生长20纳米厚的au纳米薄膜，沉积时间为15分钟，镀膜溶液温度为23℃。

再次使用抗坏血酸作为还原剂，使用浓度为1.25毫摩每升的h2pdcl4溶液在沉积有钯金薄膜的啁啾倾斜光纤光栅（10）上沉积生长20纳米厚pd纳米薄膜，形成钯金钯复合纳米薄膜（9）。

本发明的工作原理是：偏振光通入传感器后，啁啾倾斜光纤光栅表面的钯金钯复合纳米敏感薄膜吸收氢气后折射率和应力会发生变化，透射光就会相应地发生变化。一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器薄的氢气响应现象主要为光谱的幅值整体压缩或拉伸。同时也观察到啁啾倾斜光纤光栅的布拉格模和包层模波长光谱的微小漂移，这其中仍然有pd膜膨胀应力的贡献。而应力变化不会引起光谱幅值的变化，所以光谱幅值响应主要是由于pd薄膜吸收氢气后，形成钯氢化物，钯金钯复合纳米薄膜的有效折射率发生变化，从而对包层模光波的传输特性产生影响，导致透射光谱的变化。监测透射光谱的变化可以实现对不同浓度氢气的监测。氢气传感器的性能测试包括响应时间测试、传感器氢气循环测试以及氢气浓度测试。

本发明的有益效果是：引入适量的贵金属au镀膜能有效改提高pd连续膜响应速度并改善氢脆现象，获得的钯金钯复合纳米薄膜氢气传感器在1.5%-4%氢气浓度范围内，有良好的线性响应特性，有效提高了灵敏度，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器测试系统原理图。

图2是一种钯金钯复合纳米薄膜结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器，由放大自发辐射光源（1），偏振片（2），偏振控制器（3），测试气室（4），流量计（5），氢气和氮气源（6），传感器（7），光谱仪（8）组成；其特征在于：传感器（7）由镀钯金钯复合纳米薄膜（9）的啁啾倾斜光纤光栅（10）组成并完全密封在测试气室（4）中,放大自发辐射光源（1）出射的光经偏振片（2）入射到偏振控制器（3）中然后进入传感器（7）左端，氢气和氮气源（6）通过进气口（11）往测试气室（4）中通入氢气和氮气混合气体，通过流量计（5）监控测试气室（4）内氢气的浓度变化，测试气室（4）右端接光谱仪（8），通过监测透射光谱的变化可以实现对不同浓度氢气的监测；传感器（7）上的啁啾倾斜光纤光栅（10）镀膜前进行预处理，分别用有机溶剂乙醇、丙酮和甲醇超声清洗5分钟、用体积比为7:3的浓h2so4和h2o2溶液在80℃下处理15分钟；使用抗坏血酸作为还原剂，使用浓度为1.25毫摩每升的h2pdcl4溶液在啁啾倾斜光纤光栅（10）上沉积生长20纳米厚pd纳米薄膜；然后在室温下将镀有钯膜的啁啾倾斜光纤光栅（10）浸入0.01%氯金酸和0.4毫摩尔盐酸羟胺的混合溶液中沉积生长20纳米厚的au纳米薄膜，沉积时间为15分钟，镀膜溶液温度为23℃；然后再使用抗坏血酸作为还原剂，使用浓度为1.25毫摩每升的h2pdcl4溶液在沉积有钯金薄膜的啁啾倾斜光纤光栅（10）上沉积生长20纳米厚pd纳米薄膜；形成钯金钯复合纳米薄膜（9）。

首先向测试气室（4）内通入氮气，几分钟后，开始通入浓度为3%的氢气。光谱的高次包层模式波长处的光强有明显的增加。通入氮气后，光强又基本恢复。相比光谱的光强峰峰值变化，传感器的波长漂移很微弱。选取1567nm的光谱峰峰值，测量其在循环氢气测试过程中的强度变化。得到如下结论：对浓度为3%的氢气，传感器的平均响应变化为0.0245db，平均响应时间为16秒，而平均恢复时间则为40秒。

一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器氢气浓度测试方法为：首先通入氮气一段时间，待气流稳定后，缓慢打开氢气，保持但其流量不变，逐渐増大氢气流量记录不同浓度下的传感器响应。依次通入不同浓度氢气，对传感器进行氢气浓度测试分析。选1553nm处的光谱分析，可见在氢气浓度在1.5%-4%区间内，传感器有较好的线性响应，每1%的氢气浓度变化，相应的光谱峰峰值变化为0.005db。氢气浓度超过4%以后，传感器的响应特性不再是线性关系。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种钯金钯复合纳米薄膜光纤氢气传感器，由放大自发辐射光源，偏振片，偏振控制器，测试气室，流量计，氢气和氮气源，传感器，光谱仪组成。预处理啁啾倾斜光纤光栅后在表面分别液相沉积生长Pd薄膜、Au薄膜、Pd薄膜，将制备好的钯金钯复合纳米薄膜应用于氢气传感器中作为氢敏材料，偏振光通入传感器后，啁啾倾斜光纤光栅表面的钯金钯薄膜吸收氢气后折射率和应力改变，透射光随之改变，监测透射光谱的变化以实现对不同浓度氢气的监测。能显著提高Pd连续膜响应速度并改善氢脆现象，有效提高传感器灵敏度，具有良好的应用前景。

技术研发人员：沈常宇;张崇;宫佳琦
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2018.12.03
技术公布日：2019.03.01