SmartMat |Perspective：面向氢能安全的高灵敏度、高选择性和稳定的钯基MEMS气体传感器
学术
科技
2024-11-08 15:05
天津
Yuxin Zhao, Yanli Zhao. Toward highly sensitive, selective, and stable palladium-based MEMS gas sensors for hydrogen energy security. SmartMat. 2024; 5:e1303.
https://doi.org/10.1002/smm2.1303
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本文探讨了高灵敏度和选择性微机电系统半导体氢传感器的先进技术。探索传感材料电动力学、分离材料统计力学和芯片热力学之间的相互作用，系统地描绘了传感材料、分离膜和低功耗芯片之间多层次创新集成技术的演变，提出了可行的技术途径。
图 1. (A)过去10年中氢事故造成的损害和伤害的统计数据。美国能源部数据库。(B)中国石化行业氢气传感器采购市场份额统计。数据来源于中国危险化学品登记中心应急秘书处。图 2. 通过(A)电子散射和(B)纳米间隙转换，钯(Pd)纳米结构中的电阻调制机制。(C) PdHx示意图，显示了α到β的相变和自由能图。上升的氢气压力(PH2)触发了一个相位转换，降低了自由能。然而，高内应力(σ)可以通过限制氢运动来阻止这种转变，从而导致自由能增加。(D)在四种不同的氢浓度下，在变化的σ下，PdHx的相变的吉布斯自由能变化(ΔGα→β，kJ/mol ),其描绘了随着浓度的增加，Pd材料必须承受的应力的增加。Copyright 2022, American Chemical Society.
图 3.(A)化学电阻式气体传感器与不同气体分子相互作用的示意图，强调了气体分离膜在这些传感器中的关键作用。本文还展示了各种材料，如金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、固有微孔聚合物（PIMs）、石墨烯、沸石、金属氧化物和异相材料等，用于制作这些分子分离膜。(B) H2/CO2和(C) H2/CH4的混合气体选择性是文献报道的有机框架膜H2透性的函数。 Copyright 2020, American Chemical Society.图 4. (A)微机电系统(MEMS)热板方案，插图显示有限元分析得出的von Mises应力分布。应力集中在传感层和电极基板之间的界面处，在其他区域应力较小。这种分布受基底纹理和材料形状的影响。Copyright 2022, American Chemical Society. (B)使用喷墨印刷的活性材料的微图案。插图对比了没有表面活性剂的毛细管流动（上）和有表面活性剂的Marangoni流动（下），突出了通过毛细管作用形成的咖啡环结构，甚至通过再循环流动沉积。显微和扫描电镜图像显示，在MEMS传感器上有一个无序的纳米膜，具有不同的晶粒尺寸和活动面。Copyright 2023, Elsevier B.V.; Copyright 2013, The Author(s); Copyright 2019, The Author(s). (C)嵌段共聚物（BCP）自组装的激光区域退火图，显示了局部加热的温度分布。聚焦激光扫描对齐BCP膜纳米畴，实现优越的远程有序。这种方法可以创建复杂的、有序的纳米材料形态，超出标准工艺的能力。Copyright 2015, American Chemical Society; Copyright 2018, American Chemical Society; Copyright 2015, The Author(s).
图 5. 基于Pd的微气体传感器勘探的多尺度技术。原位电子显微镜实时监测材料的微观结构、电和热变化，揭示原子水平上的气固相互作用。扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、角分辨光电子能谱（ARPES）和漫反射傅立叶变换红外光谱（DRIFTS）等技术可以追踪表面上的电荷动力学和气体吸附，支持DFT模拟，在分子和电子尺度上解释气敏机制。对于复合膜，研究的重点是氢气和其他气体的吸附差异。通过量子力学、分子动力学和热力学的多尺度模拟，研究了气体与吸附剂的相互作用和吸附。通过这些相互作用的分子模拟计算了膜中的气体扩散和溶解度系数、通量和活化能，使用了像正则蒙特卡罗和有限元分析这样的方法。Copyright 2020, Hydrogen Energy Publications LLC. Published by Elsevier Ltd.; Copyright 2023, Wiley‐VCH GmbH; Copyright 2023, The Author(s), under exclusive licence to Springer Nature Limited; Copyright 2020, Elsevier Ltd.
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作者简介
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赵宇新现任中国石油天然气集团公司（CNPC）高级技术专家。他也是河北工业大学机械工程学院的客座教授。2018年至2023年，先后被聘为天津大学特聘教授、西安交通大学青年拔尖人才研究员。他的研究主要集中在MEMS气体传感器，单分子晶体管，等离子体纳米材料和器件，以及原位探针扫描技术的发展。
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赵彦利现任新加坡南洋理工大学化学、化学工程和生物技术学院Lee Soo Ying教授。于南开大学获得理学学士和博士学位，随后在美国加州大学洛杉矶分校以及西北大学从事博士后研究。主要从事合成化学和材料科学前沿交叉领域的研究，研究兴趣集中于新型自聚集材料的设计、制备以及应用开发。先后获得新加坡国家研究基金会Fellowship (2010)、《麻省理工学院技术评论》评选的杰出青年创新人物(新加坡2012)、亚太光化学学会青年科学家奖(2016)、美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces青年研究员奖(2017)、新加坡国家研究基金会Investigatorship (2018)、科睿唯安高被引科学家等荣誉和奖励。担任ACS Applied Nano Materials副主编。
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