近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員李昕欣團隊采用基于MEMS芯片的氣相原位透射電鏡（TEM）表征技術，探究了Pd-Ag合金納米顆粒催化劑在MEMS氫氣傳感器工況條件下的失效機制（圖1）。4月13日，相關研究成果作為Supplementary Cover論文，以In Situ TEM Technique Revealing the Deactivation Mechanism of Bimetallic Pd-Ag Nanoparticles in Hydrogen Sensors為題，發表在Nano Letters上。

圖1 采用MEMS芯片氣相原位TEM技術揭示氫氣傳感器失效機制的示意圖

隨著低碳經濟的快速發展，氫能作為理想的清潔能源應用于各個領域，如氫燃料電池汽車。為了確保氫氣的安全使用，迫切需要開發具有高靈敏度、高選擇性、高穩定性且低功耗的氫氣傳感器。李昕欣/許鵬程研究團隊在國家重點研發計劃“硅基氣體敏感薄膜兼容制造及產業化平臺關鍵技術研究”的支持下，開展了MEMS低功耗氫氣傳感器的研究工作。

在半導體敏感材料表面修飾貴金屬催化劑是提升氫氣傳感器性能（如靈敏度）的有效方法。然而，半導體氣體傳感器的工作溫度高達數百攝氏度。在長期的高溫工作環境下，金屬催化劑的活性易衰減，引起半導體氣體傳感器的性能下降甚至失效，阻礙了該類傳感器的實用化。傳統的材料表征方法通常只能分析敏感材料失活前后微觀形貌、結構及成分等的變化，缺乏在工況條件尤其是氣氛條件下原位表征敏感材料的能力，難以分析半導體氣體傳感器的失效機制。
該研究使用氣相原位TEM實驗，在工況條件下觀測到Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的形貌和物相演變全過程，揭示了該合金納米催化劑在不同工作溫度下的失活機制，并據此對MEMS氫氣傳感器進行優化，有效推進了氫氣傳感器的實用化。原位TEM實驗結果表明（圖3），當半導體氫氣傳感器在300 ℃工作時，相鄰近的Pd-Ag合金納米顆粒易發生融合、顆粒長大現象，且顆粒的結晶性提高。Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的粒徑增大、缺陷減少，使其催化活性降低，引起氫氣傳感器的靈敏度出現衰減。當氫氣傳感器在更高溫度（500 ℃）下工作時，Pd-Ag合金納米顆粒進一步發生相偏析，Ag元素從合金相中析出，同時生成了PdO相，導致催化劑喪失了協同增強效應，使氫氣傳感器的靈敏度大幅下降甚至失效。

圖3 原位TEM實驗實時記錄合金催化劑的融合過程

在上述失效機制的指導下，科研團隊進一步優化了Pd-Ag合金催化劑的元素組成、負載量及工作溫度，并使用實驗室獨立研發的集成式低功耗MEMS傳感芯片，研制出新一代的氫氣傳感器。該氫氣傳感器具有靈敏度高（檢測下限優于1 ppm）、長期穩定性好（在300 ℃下連續工作一個月后，對100 ppm H2的響應值衰減小于1%）、功耗低（300 ℃下持續工作，功耗僅為22 mW）。該研究采用氣相原位TEM技術來探討氣體傳感器的失效機制，為氣體傳感器的理論研究與實用化提供了新的研究方式。目前，該MEMS氫氣傳感器已在汽車加氫站等領域試應用，相關應用工作正在積極推進。

研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金及中科院儀器研制項目等的支持。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c05018

審核編輯 ：李倩