一步成膜！干法气溶胶技术打造高灵敏氢气传感器

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作者：复纳科技

产品： VSP-A, VSP-G1, VSP-P1

关键词：干法气溶胶打印，氢气传感器，气体传感器，MEMS，VSParticle

日期：2025-12-03

氢气被视为未来清洁能源的重要支柱，但它易燃易爆的特性也对安全监测提出了极高要求。近期，《Nanoscale Advances》期刊发表了一篇题为“Single-step aerosol-based synthesis of nanostructured thin films for hydrogen sensing”的研究，来自塞浦路斯气候与大气研究中心、荷兰代尔夫特理工大学及加拿大国家研究委员会的联合团队，提出了一种仅一步即可完成的钯纳米粒子薄膜制备方法，实现了室温下对氢气低至 2 ppm 的灵敏检测。

01. 氢气传感：为何仍是一道难题

氢能体系的安全运行离不开快速、可靠且低成本的传感器。传统电化学或催化燃烧式探测器虽已在工业场合服役多年，却常受限于响应速度、选择性及长期漂移。化学电阻式（chemiresistive）传感器因结构简单、易集成而备受青睐，其核心思路是：当氢气与敏感材料作用时，材料的电阻发生可逆变化，从而实现浓度测定。钯（Pd）由于能在室温下与氢迅速形成氢化物（PdH_X），且电阻随之显著升高，成为化学电阻型氢传感器的“明星”材料。然而，如何提高灵敏度、降低检测下限并兼顾批量制备，仍是摆在研究者面前的三座大山。

02. 一步到位的“气溶胶”路线：从原子到器件

过去制备钯纳米结构常借助湿化学或模板法，需要后续高温退火、转移、图案化等多道工序，既耗时又可能引入杂质。

研究人员反其道而行，采用“发光丝气溶胶发生—聚焦惯性冲击沉积”一体化装置，将钯丝直接蒸发，冷凝成 10–30nm 的纳米粒子，并借助超音速聚焦让粒子束径直打印在玻璃芯片上的微电极间。整个过程在常温常压氩气氛中完成，无需溶剂、无需后处理，15 分钟即可得到厚度 200–300 nm、宽度120–150µm 的连续纳米线。

由于粒子以近音速撞击已沉积层，动能瞬间转化为热量，导致粒子在接触点熔融并垂直烧结，最终形成“竖直纳米壁”与“横向桥连”并存的独特三维网络。扫描电镜显示，这种垂直取向的骨架不仅增大了比表面积，也为氢分子快速扩散提供了连续通道。

图 1 为本研究自行设计并搭建的实验装置示意图，用于一步合成钯基氢敏薄膜。该装置由两部分组成：一是炽热丝气溶胶纳米粒子发生器，通过电加热钯丝产生蒸汽并在惰性气流中冷凝成纳米颗粒；二是气溶胶聚焦冲击器，利用多级空气动力学透镜将粒子束汇聚成直径不足数百微米的准直束流，并以近音速撞击玻璃芯片上的微电极，实现纳米粒子的定向沉积与现场烧结。

图 1

图 2 的扫描电镜照片展示了以下结构：(a) 由图 1 所示装置制备的纳米粒子薄膜的俯视图；(b) 在金属基底上打印出的纳米粒子线条；(c) 在打印线条一端，由于延长沉积时间而形成的锥形结构的俯视图；(d) 打印线条另一端锥形结构的俯视图，其尖端已被折断，以暴露内部形貌；(e) 末端锥形处纳米粒子薄膜的俯视图。

图2

03. “一维”结构带来的三维性能提升

为什么简单的“竖直”设计就能显著提升传感性能？作者指出，传统随机堆叠的纳米粒子薄膜在氢气吸附后，电阻变化主要依赖粒子间隧穿势垒的微弱调制，信号弱且恢复慢。而本研究中的垂直纳米壁在氢化物生成后，壁内晶格膨胀产生宏观应力，使原本紧密接触的烧结颈发生可逆断裂—重连，带来更大的电阻增幅；同时，竖直取向缩短了横向传输路径，使得响应时间从常见的几十秒缩短至个位数。

实验数据显示，在室温、纯氩载气条件下，传感器对 2.5% H₂ 的响应幅度高达 11%，响应/恢复时间分别为 21.3s和7.7s；当浓度降至 2 ppm 时仍可检出 0.3% 的相对电阻变化，虽然响应时间延长至 400s，但已优于多数文献报道的室温钯基器件。

图 3 展示了当上方气流中的氢气浓度在 0.8%–2.5% 之间循环变化时，钯纳米粒子薄膜电导率的相应变化。插图则给出了氢气浓度由 2100 ppm 逐步降至 2 ppm 循环过程中薄膜电导率的变化情况。图中蓝色虚线表示向传感系统通入氢气的时刻，橙色点线表示重新引入氩气的时刻。

04 稳定性与可重复性：走向产业化的关键

实验室原型常因纳米材料的团聚或基底粘附性差而性能衰减。作者特意测试了多次循环（0.8–2.5% H₂）及不同批次器件间的差异，结果显示信号漂移小于±10%，体现出工艺的高度一致性。这得益于两个因素：其一，聚焦惯性沉积形成的烧结颈在高温下已“一次成型”，后续室温工作不会出现二次烧结；其二，钯纳米壁与玻璃基底之间通过物理楔入及范德华力形成牢固接触，避免了传统滴涂或旋涂薄膜易剥落的问题。

05. 可扩展性与未来展望

文章最后强调了该方法的通用性：只需更换丝材（如Pt、Au、Ag或合金），即可同步合成不同组分的纳米薄膜，用于检测 CO、NO₂、VOCs 等目标气体；聚焦系统亦可拓展为多喷头阵列，实现厘米级甚至晶圆级图案化沉积。结合卷对卷工艺，有望将传感器成本压至“一次性”级别，满足大规模氢能基础设施的分布式监测需求。作者也坦承，目前器件对湿度交叉敏感、长期漂移数据尚不充分，后续将通过表面包覆或合金化策略进一步优化。

总结

总之，本研究所采用的一步式合成方法能够成功制备出高度烧结的纳米粒子薄膜，该薄膜可在室温下对氢气实现从约 2 ppm 到数个百分点的宽范围检测。鉴于该方法在利用不同成分和/或尺寸的纳米粒子构筑材料方面兼具灵活性与简便性，传感器性能在理论上仍有进一步优化与扩大至工业规模应用的空间。

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2可根据需求调整沉积厚度、粒径分布、沉积图案/阵列设计等关键参数

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下游适配与协同测试