摘要
氢气作为一种可替代碳氢化合物的可再生能源载体，在未来可持续能源系统中发挥着重要作用。为了稳固推进氢经济时代的发展，氢气的制备、运输、存储以及使用需要得到极大地安全保障，因此研究和开发具有高灵敏度、快速响应恢复以及高稳定性的氢传感器势在必行。 本论文采用溶胶-凝胶法以及超临界二氧化碳（CO2）干燥技术，将具备氢敏性能的TiO2材料“气凝胶”化制备出具有高比表面积和高孔隙率的TiO2气凝胶，最后通过高温晶化获得具有锐钛矿晶型和金红石晶型的TiO2气凝胶。通过微观形貌、比表面积以及氧空位分析可知，高温晶化前后的TiO2气凝胶均具有三维网络结构，但晶化后的TiO2气凝胶孔隙壁被严重破坏，比表面积大大降低，氧空位数量增多。此外，还探究了TiO2气凝胶晶型的改变对氢传感器的性能影响。结果表明，锐钛矿型TiO2气凝胶氢传感器具备最高的灵敏度（3.1271），是商用TiO2纳米颗粒氢传感器的2.09倍，同时也具备较短的响应恢复时间（4s/29s）、良好的稳定性（30天灵敏度变化较小）以及线性度（100ppm~1000ppm氢气）。 在上述研究基础之上，采用贵金属Pd修饰的方式进行锐钛矿TiO2气凝胶改性，以此来提升氢传感器的灵敏度以及降低其工作温度。在TiO2溶胶阶段引入超声分散后的PdCl2溶液，经过凝胶、超临界CO2干燥以及高温煅烧获得不同Pd含量掺杂的锐钛矿型TiO2气凝胶。由氢敏测试结果可知，当Pd与Ti的摩尔比为2%时，氢传感器的灵敏度为4.8671，是锐钛矿TiO2气凝胶氢传感器的1.56倍；与锐钛矿TiO2气凝胶氢传感器的最佳工作温度（450℃）相比，该传感器的最佳工作温度显著下降（从450℃降至300℃），同时也具有极短的响应恢复时间（2s/19s）、较好的线性度（100ppm~1000ppm氢气）、良好的稳定性以及选择性。 更近一步地，将静电纺丝与溶胶-凝胶法以及超临界CO2干燥技术相结合，成功地制备出了SnO2-Pd-TiO2复合气凝胶，目的在于构建中空SnO2纳米纤维与TiO2网络骨架异质结，以此来优化氢传感器性能。同样地，根据氢敏测试结果可知当Sn与Ti的摩尔比为21%时，氢传感器具备最优异的灵敏度（6.3178），是锐钛矿型TiO2气凝胶氢传感器灵敏度（3.1271）的2.02倍，此外，该传感器具备更短的响应恢复时间（1s/20s）、较好的线性度（100ppm~700ppm氢气）、良好的稳定性以及复杂气体环境下较好的氢选择性。
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