中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
氫氣（Hydrogen，H2）是一種高效、無(wú)污染的清潔能源，具有環(huán)保與可再生特性，發(fā)展氫經(jīng)濟一直都是各國政府實(shí)現能源戰略轉型的重要途徑之一，尤其是在當前踐行“雙碳”戰略的時(shí)代背景下。然而氫氣分子具有尺寸小、滲透率高、擴散速度快和無(wú)色無(wú)味等特性，在生產(chǎn)、運輸、儲存過(guò)程中容易發(fā)生泄漏且無(wú)法被人體五官所感知。在空氣環(huán)境中H2濃度達到4%~75%時(shí)，具有易燃和易爆風(fēng)險。開(kāi)發(fā)安全、快速、可靠、低成本、高精度的氫氣傳感器對于及時(shí)檢測泄漏并預警至關(guān)重要，氫氣傳感技術(shù)的開(kāi)發(fā)對于保障用氫安全、推動(dòng)氫能經(jīng)濟發(fā)展具有重要的現實(shí)意義。
鈀（Palladium，Pd）基納米結構因其優(yōu)異的感氫性能被視為最有潛力的氫敏材料。然而，Pd易受一氧化碳毒性的影響而失去對氫氣的響應能力。已報道的通過(guò)聚合物包裹Pd納米結構可以解決CO中毒的問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì )導致H2傳感性能降低。如何兼顧氫氣傳感性能和抗一氧化碳毒性仍是巨大挑戰。
鑒于此，浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院胡軍教授課題組提出一種在Pd?聚合物復合材料中插入金屬有機框架（Metal–organic framework，MOF）作為界面層來(lái)增強氣敏性能的新機制與研究思路。該成果以“Metal Nanocluster—Metal Organic Framework—Polymer Hybrid Nanomaterials for Improved Hydrogen Detection”為題發(fā)表在《Small》上，胡軍教授為該論文的通訊作者。
首先采用密度泛函理論（Density Functional Theory，DFT）計算揭示MOF和聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methylmethacrylate)，PMMA）對Pd納米團簇吸/脫附氫氣的影響機制，重點(diǎn)闡明MOF與金屬納米團簇間的界面電子耦合作用對氫氣吸附和解離能的演變規律。首次提出并設計了Pd/ZIF-67/PMMA復合納米結構，并以此為H2感知材料，構建了兼具高靈敏度、快速響應和抗CO毒性的氫氣傳感器件。
其次通過(guò)實(shí)驗證實(shí)Pd納米團簇與ZIF-67組裝陣列間存在顯著(zhù)電子轉移，電子從Pd轉移向ZIF-67，導致Pd納米團簇中存在大量電子空穴，進(jìn)而使得Pd納米團簇容納H原子的能力顯著(zhù)增強，Pd/ZIF-67/PMMA對氫氣（1%濃度）的響應靈敏度達到22.56%，較之Pd/PMMA提高了2倍。與此同時(shí)提出的Pd/ZIF-67/PMMA復合納米結構中，表面PMMA層的氣體分子篩過(guò)濾作用仍賦予其抗CO毒性和對H2的選擇性響應能力。
器件概念圖及DFT理論預測
器件性能表征
