基于MEMS芯片的氣相原位透射電鏡（TEM）表征技術(shù)

近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李昕欣團(tuán)隊(duì)采用基于MEMS芯片的氣相原位透射電鏡（TEM）表征技術(shù)，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(jī)制（圖1）。4月13日，相關(guān)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(fā)表在Nano Letters上。

圖1 采用MEMS芯片氣相原位TEM技術(shù)揭示氫氣傳感器失效機(jī)制的示意圖

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，氫能作為理想的清潔能源應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如氫燃料電池汽車(chē)。為了確保氫氣的安全使用，迫切需要開(kāi)發(fā)具有高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性且低功耗的氫氣傳感器。李昕欣/許鵬程研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“硅基氣體敏感薄膜兼容制造及產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，開(kāi)展了MEMS低功耗氫氣傳感器的研究工作。

在半導(dǎo)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(dǎo)體氣體傳感器的工作溫度高達(dá)數(shù)百攝氏度。在長(zhǎng)期的高溫工作環(huán)境下，金屬催化劑的活性易衰減，引起半導(dǎo)體氣體傳感器的性能下降甚至失效，阻礙了該類(lèi)傳感器的實(shí)用化。傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體氣體傳感器的失效機(jī)制。
該研究使用氣相原位TEM實(shí)驗(yàn)，在工況條件下觀測(cè)到Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的形貌和物相演變?nèi)^(guò)程，揭示了該合金納米催化劑在不同工作溫度下的失活機(jī)制，并據(jù)此對(duì)MEMS氫氣傳感器進(jìn)行優(yōu)化，有效推進(jìn)了氫氣傳感器的實(shí)用化。原位TEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖3），當(dāng)半導(dǎo)體氫氣傳感器在300 ℃工作時(shí)，相鄰近的Pd-Ag合金納米顆粒易發(fā)生融合、顆粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，且顆粒的結(jié)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(xiàn)衰減。當(dāng)氫氣傳感器在更高溫度（500 ℃）下工作時(shí)，Pd-Ag合金納米顆粒進(jìn)一步發(fā)生相偏析，Ag元素從合金相中析出，同時(shí)生成了PdO相，導(dǎo)致催化劑喪失了協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，使氫氣傳感器的靈敏度大幅下降甚至失效。

圖3 原位TEM實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)記錄合金催化劑的融合過(guò)程

在上述失效機(jī)制的指導(dǎo)下，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化了Pd-Ag合金催化劑的元素組成、負(fù)載量及工作溫度，并使用實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)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(cè)下限優(yōu)于1 ppm）、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好（在300 ℃下連續(xù)工作一個(gè)月后，對(duì)100 ppm H2的響應(yīng)值衰減小于1%）、功耗低（300 ℃下持續(xù)工作，功耗僅為22 mW）。該研究采用氣相原位TEM技術(shù)來(lái)探討氣體傳感器的失效機(jī)制，為氣體傳感器的理論研究與實(shí)用化提供了新的研究方式。目前，該MEMS氫氣傳感器已在汽車(chē)加氫站等領(lǐng)域試應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用工作正在積極推進(jìn)。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及中科院儀器研制項(xiàng)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