隨著低碳經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，氫能作為一種理想的清潔能源被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如氫燃料電池汽車。經(jīng)國(guó)務(wù)院同意，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局于近期聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》。為了確保氫氣的安全使用，迫切需要開發(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。中科院上海微系統(tǒng)所李昕欣和許鵬程研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《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》的資助下，積極部署了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一種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往往高達(dá)數(shù)百攝氏度。在長(zhǎng)期的高溫工作環(huán)境下，金屬催化劑的活性容易衰減，進(jìn)而引起半導(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。 

　　該論文使用氣相原位TEM實(shí)驗(yàn)，在工況條件下成功觀測(cè)到了Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的形貌和物相演變?nèi)^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)行了優(yōu)化，有效推進(jìn)了氫氣傳感器的實(shí)用化。圖3所示 原位 TEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)半導(dǎo)體氫氣傳感器在300°C工作時(shí)，相鄰近的Pd-Ag合金納米顆粒容易發(fā)生融合、顆粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，并且顆粒的結(jié)晶性會(huì)提高。Pd-Ag合金納米顆粒催化劑的粒徑增大、缺陷減少，使得其催化活性降低，最終引起了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°C）下工作時(shí)，Pd-Ag合金納米顆粒會(huì)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，從而導(dǎo)致催化劑喪失了協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，使得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)記錄了合金催化劑的融合過程 

　　在上述失效機(jī)制的指導(dǎo)下，該團(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，成功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°C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°C下持續(xù)工作，功耗僅為22 mW）。該論文采用氣相原位TEM技術(shù)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氫氣傳感器已經(jīng)在汽車加氫站等領(lǐng)域進(jìn)行試應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用工作正在積極推進(jìn)。 

　　中科院上海微系統(tǒng)所王雪晴博士、李明副研究員為該論文的共同第一作者，許鵬程副研究員、李昕欣研究員為共同通訊作者。該研究工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金及中科院儀器研制等項(xiàng)目的支持。 

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