宁波大学邹杰，上海交通大学金涵ASR：基于三维叉指电极的高灵敏度电容式室温氢气传感器

Wiley

2025-12-17

研究背景

氢气（H₂）凭借储量丰富、环境友好且能量密度高（120-142 MJ/kg）等优势，在工业冶金、航空航天、生物医学、交通运输等领域发挥着关键的作用。然而，H₂在空气中爆炸浓度范围宽（4-75 vol%），点火能量低（仅0.02 mJ），一旦泄漏极易引发燃烧或爆炸等重大安全事故。因此，开发高性能的室温H₂传感器对保障生命财产安全至关重要。

钯（Pd）金属对H₂具有高亲和力，是理想的H₂传感材料。H₂分子在Pd表面会解离为氢原子（H）并扩散至晶格内部，并形成钯氢化合物（PdHₓ），进而引起Pd晶格膨胀（即氢致晶格膨胀效应，HILE），这一特性为H₂的高特异性检测奠定了基础。尽管基于钯（Pd）纳米结构（如纳米颗粒、纳米线、纳米管）的电阻式H₂传感器已被广泛研究，但其性能深受环境氧气（O₂）的制约。O₂与表面Pd原子结合生成PdO，阻碍电荷转移及H₂吸附，从而显著降低传感器的灵敏度与选择性。相比之下，电容式传感器通过交流激励检测信号变化，可有效规避表面PdO的影响，展现出优异的抗O₂干扰性能。其中，基于叉指电极（IDE）结构的电容式传感器因其性能稳定而备受关注。然而，传统平面叉指电极的剖面高度通常不足1 μm，导致其初始电容极小，限制了传感器检测性能的提升。

研究团队与核心成果

宁波大学信息科学与工程学院邹杰、简家文课题组联合上海交通大学自动化与感知学院金涵课题组等，提出了一种基于Pd纳米颗粒（Pd NPs）和三维叉指电极（3D-IDE）的新型电容式H₂传感器。该传感器采用微纳加工技术制备，有效克服了传统Pd基电阻式H₂传感器易受O₂干扰以及平面电容式H₂传感器初始电容值小的问题。实验结果表明，该传感器在室温下对H2的灵敏度高、受O2浓度变化影响小，为高性能H₂监测提供了新方案。

图文导读

图1 （a）热溶剂法合成Pd NPs；（b）3D-IDE的微纳制备工艺流程；（c）Pd NPs的滴涂方法；（d）H₂传感器的应用场景示例及器件工作示意图。

图2 三维叉指电极缝隙中填充不同含量的Pd NPs：（a）无Pd NPs填充-S0；（b）0.1 mg的Pd NPs填充-S10；（c）0.3 mg的Pd NPs填充-S30；（d）0.5 mg的Pd NPs填充-S50；（e）0.7 mg的Pd NPs填充-S70；（f）0.9 mg的Pd NPs填充-S90。

图3 传感器在500-20000 ppm H₂浓度下的性能：(a)不同浓度H2的瞬态响应曲线；(b)响应与H2浓度的线性关系及灵敏度。

图4 传感器综合性能测试结果：（a）得益于Pd与H₂之间独特的HILE，传感器对10000 ppm CO、CO₂、CH₄的响应可忽略不计，表明对H₂具有优异的选择性；（b）当H2中混有CO₂、CH₄、CO时，CO₂和CH4对H₂检测影响极小，但由于Pd对CO的吸附力较强，会显著抑制传感器的响应；（c）随着O₂浓度升高，传感器对H2的响应略有上升，但变化幅度较小，解决了O₂干扰的难题；（d）随着环境温度升高，传感器对H₂的响应值下降，响应时间也随之缩短；（e）随着环境湿度的升高，传感器响应值增加，但同时响应时间也增长；（f）在多次循环测试中，传感器的响应值一致、基线稳定、重复性良好。

图5 H原子在Pd表面的吸附与Pd晶格间隙中的扩散：（a-c）H原子在Pd（111）、（200）、（220）表面的典型吸附位点（俯视图）；（d-f）氢原子在Pd（111）FCC位点、（200）Hollow位点、（220）Long Bridge位点及体相的“O-T-O”扩散路径（侧视图）；（g-i）不同H/Pd比下Pd（111）、（200）、（220）的层间距与体积膨胀示意图（侧视图）。

表1 不同位点的吸附能

图6 H原子三个不同晶面向体相扩散的路径及能垒。

图7 传感器工作机制模型。

结论

独特的三维叉指电极结构显著提高了传感器的初始电容值，并通过调节电极间隙中Pd NPs的含量，进一步优化了传感器的性能。当Pd NPs滴涂量为0.7 mg时，传感器具有最高的灵敏度，H₂浓度为20000 ppm时响应值达61.94%。与此同时，传感器具有良好的抗O₂干扰能力和选择性，综合性能优良。理论计算工作为传感机制提供了有价值的见解，凸显了H₂吸附、解离、扩散和Pd NPs体积膨胀的影响。为开发高性能、高可靠性的室温H₂传感器提供了一种新的思路与方法。

期刊简介

Advanced Sensor Research致力于报导来自传感器以及探测器研究领域最新、最有影响力的研究成果。期刊发文范围涵盖基础研究以及应用研究， 跨越化学、物理、材料科学、工程、生命科学和医学的任何物理、生物和化学传感器的理论、机械研究、材料、设备设计、制造、系统和技术。