ساخت و عملكرد حسگري هيدروژن حسگرهاي گازي لايه‌نازك دي‌اكسيد تيتانيوم اصلاح‌شده با پالاديم (Pd/TiO₂)

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

فيزيك

كارشناسي ارشد

افزايش كاربرد هيدروژن در پيل‌هاي سوختي، سامانه‌هاي ذخيره‌سازي انرژي، حمل‌ونقل و فرايندهاي صنعتي، نياز روزافزوني به فناوري‌هاي قابل‌اعتماد براي تشخيص هيدروژن ايجاد كرده است. به دليل وزن مولكولي كم، نفوذپذيري بالا و دامنه گسترده اشتعال‌پذيري هيدروژن در هوا، نشت اين گاز مي‌تواند خطرات ايمني جدي ايجاد كند. ازاين‌رو، توسعه حسگرهاي هيدروژني حساس، گزينش‌پذير و پايدار براي استفاده ايمن از فناوري‌هاي مبتني بر هيدروژن ضروري است. در اين پژوهش، حسگرهاي گازي مقاومتي دي‌اكسيد تيتانيوم اصلاح‌شده با پالاديم (Pd/TiO₂) ساخته و به‌صورت نظام‌مند براي تشخيص هيدروژن بررسي شدند. TiO₂ به‌عنوان ماده اصلي حسگر به دليل ويژگي‌هاي نيمه‌رسانايي، پايداري شيميايي، مقاومت حرارتي و واكنش‌پذيري سطحي آن انتخاب شد. پالاديم به‌عنوان اصلاح‌كننده كاتاليستي به‌منظور بهبود جذب و تفكيك هيدروژن و تقويت واكنش‌هاي انتقال بار در سطح TiO₂ به كار گرفته شد. چندين نمونه حسگر، شامل S1، S4، S7 و S10، در دماي اتاق و دماهاي كاري 150، 250 و 400 °C ارزيابي شدند. اثر شرايط اصلاح حسگر و دماي كاري بر ميزان و رفتار ديناميكي پاسخ به هيدروژن بررسي شد. نتايج تجربي نشان داد كه عملكرد حسگري به‌شدت به هر دو عامل دماي كاري و اصلاح با Pd وابسته است. افزايش دما در ابتدا موجب تسهيل فعال‌سازي اكسيژن، تفكيك هيدروژن و سينتيك واكنش‌هاي سطحي شد. بااين‌حال، دماهاي بيش‌ازحد بالا مي‌توانند به دليل واجذب سريع گونه‌هاي واكنش‌پذير سطحي، موجب كاهش پاسخ شوند. در ميان نمونه‌هاي بررسي‌شده، S10 در شرايط كاري بهينه، مطلوب‌ترين عملكرد حسگري هيدروژن را نشان داد. بهبود پاسخ اين نمونه به تعادل مناسب ميان تعداد جايگاه‌هاي كاتاليستي Pd و دسترسي‌پذيري سطح TiO₂ نسبت داده شد. پاسخ حسگر بهينه همچنين در غلظت‌هاي هيدروژن در محدوده 170 تا 1190 ppm بررسي شد. حسگر در سراسر اين محدوده غلظتي، پاسخ‌هاي قابل‌تفكيكي ايجاد كرد و دامنه پاسخ با افزايش غلظت هيدروژن افزايش يافت. در غلظت‌هاي بالاتر، نرخ افزايش پاسخ كمتر محسوس بود كه نشان‌دهنده اشغال تدريجي و اشباع جزئي جايگاه‌هاي در دسترس جذب و كاتاليستي است. اندازه‌گيري‌هاي گزينش‌پذيري با استفاده از هيدروژن، متان، دي‌اكسيد نيتروژن و بخار اتانول انجام شد. حسگر Pd/TiO₂ در مقايسه با گازهاي مداخله‌گر، پاسخ به‌مراتب قوي‌تري نسبت به هيدروژن نشان داد. اين گزينش‌پذيري عمدتاً به تمايل زياد Pd به هيدروژن و توانايي آن در تفكيك مؤثر هيدروژن مولكولي به گونه‌هاي اتمي نسبت داده شد. حسگر همچنين در چرخه‌هاي متوالي مواجهه با هيدروژن، رفتار تكرارپذير پاسخ و بازيابي را نشان داد كه بيانگر پايداري چرخه‌اي كوتاه‌مدت قابل‌قبول آن است. تأثير رطوبت نسبي در حدود 42%، 50%، 63%، 80% و 94% RH ارزيابي شد. وابستگي غير يكنواختي نسبت به رطوبت مشاهده شد. بيشترين پاسخ در ميان سطوح رطوبت بررسي‌شده در حدود 50% RH به دست آمد، درحالي‌كه افزايش بيشتر رطوبت موجب كاهش قابل‌توجه پاسخ شد. اين كاهش به جذب رقابتي مولكول‌هاي آب، اشغال جايگاه‌هاي فعال Pd و TiO₂، كاهش پوشش سطحي گونه‌هاي اكسيژن واكنش‌پذير و هيدروكسيله‌شدن بيش‌ازحد سطح نسبت داده شد. اگرچه حسگر در شرايط با رطوبت بالا نيز پاسخ‌گو باقي ماند، براي اندازه‌گيري‌هاي دقيق عملي، جبران اثر رطوبت ضروري خواهد بود. رفتار حسگري بهبوديافته سامانه Pd/TiO₂ با اثرات تركيبي حساس‌سازي كاتاليستي و الكترونيكي تبيين شد. پالاديم تفكيك هيدروژن و انتقال هيدروژن به سمت سطح TiO₂ را تسهيل مي‌كند، درحالي‌كه فصل مشترك Pd/TiO₂ فرايندهاي انتقال بار را تسهيل مي‌كند. گونه‌هاي هيدروژن فعال‌شده با يون‌هاي اكسيژن جذب‌شده واكنش داده و الكترون‌ها را به نوار رسانش TiO₂ نوع n آزاد مي‌كنند و در نتيجه تغيير قابل‌اندازه‌گيري در مقاومت الكتريكي ايجاد مي‌شود. در مجموع، نتايج نشان مي‌دهند كه اصلاح با Pd راهبردي مؤثر براي بهبود حساسيت، گزينش‌پذيري و عملكرد ديناميكي حسگرهاي هيدروژني مبتني بر TiO₂ است. بنابراين، حسگر توسعه‌يافته Pd/TiO₂ گزينه‌اي اميدبخش براي پايش نشت هيدروژن و كاربردهاي ايمني محسوب مي‌شود.

238473

ماده چگال

فيزيك

دانشگاه صنعتي اصفهان