百檢網：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，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。
　　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*推進。