Synthesis and characterization of a novel palladium nanostructured ensemble supported on anodized alumina substrates for hydrogen sensing applications

Abstract

Hydrogen is a versatile molecule used in many industrial processes. Hydrogen is flammable at concentrations between 4% to 75% v/v at atmospheric pressure with a tendency to leak. There are a variety of hydrogen sensors, each with its advantages and disadvantages. Resistor type sensors are the most simple and promising sensors since they can readily detect hydrogen at room temperature or higher. Palladium thin film technology can potentially yield selective, small, fast, and energy efficient hydrogen sensors. The principle of this technology is the concurrent electrical and structural changes in the Pd structure upon hydrogen absorption. Synthesis methods for Pd based thin films are often expensive and energy consuming. In this work the solid-state reduction (SSR) synthesis method was established as energy and cost efficient way to obtain Pd, Ag10Pd90 and Pt10Pd90 films that can be used as hydrogen sensors. Film characterization included: X-ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy, Profilemeter, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy and X-Ray Photoelectron Spectroscopy. The hydrogen response was studied at room temperature. The hydrogen sensing conditions were optimized based on the effects of the film morphology, oxidation of the sample, presence of oxygen, working voltage and residence time on the stability, sensitivity and response time. The best synthesis conditions for SSR included liquid phase impregnation with addition of water during reduction. The best sensing results were obtained in a small volume chamber, as it was determined that the response time depends on the residence time. The response of pure Pd films was stable and precise from 0.01% to 2%v/v H2/N2 with sensitivities ranging from 0.6 to 8.3%. However, the signal is affected by structural changes that occur above 2% v/v H2 that are related to the α to ß Pd phase transition. The bimetallic films had an expanded range of detection due to a restriction on the phase transition lattice expansion. The Pt10Pd90 film exhibited the best sensing properties with a stable signal up to 50% v/v H2, a high sensitivity (~10%) that was proportional to the hydrogen concentration up to 8%v/v H2/N2 and a fast response time in the 10 s order of magnitude.

El hidrógeno es una molécula versátil que se utiliza en muchos procesos industriales. El hidrógeno es inflamable a concentraciones entre 4% a 75% v/v a presión atmosférica con una tendencia a tener fugas. Hay variedad de sensores de hidrógeno, cada uno con sus ventajas y desventajas. Sensores de tipo resistencia son los sensores más simples y prometedores ya que pueden detectar fácilmente hidrógeno a temperatura ambiente o mayor. Tecnología de películas delgadas de paladio pueden potencialmente producir sensores de hidrógeno selectivos, pequeños, rápidos, eficientes en energía. El principio de esta tecnología está en los cambios eléctricos y estructurales que concurren en la estructura de Pd tras la absorción de hidrógeno. Métodos de síntesis para películas delgadas basadas en Pd son a menudo costosos y grandes consumidores de energía. En este trabajo el método de síntesis de reducción en estado sólido (SSR) se estableció como un medio costo-efectivo y eficiente en energía para obtener películas delgadas de Pd, Ag10Pd90 y Pt10Pd90 que se pueden utilizar como sensores de hidrógeno. La caracterización incluye: difracción de rayos X, microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, perfilómetros, espectroscopía de rayos X por dispersión de energía, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X. La respuesta de hidrógeno se estudió a temperatura ambiente. Las condiciones de detección de hidrógeno fueron optimizadas con base a los efectos que la morfología de la película, la oxidación de la muestra, la presencia de oxígeno, el voltaje de funcionamiento y tiempo de residencia tienen en la estabilidad, sensitividad y tiempo de respuesta. Las mejores condiciones de síntesis para SSR incluyen impregnación fase líquida con adición de agua durante la reducción. Los mejores resultados de detección se obtuvieron en una cámara de volumen pequeño, ya que se determinó que el tiempo de respuesta depende del tiempo de residencia. La respuesta de las películas de Pd puro fue estable y precisa con sensitividades que van de 0.6 a 8.3% para concentraciones de 0.01% a 2% v/v H2/N2. Sin embargo, la señal se ve afectada por los cambios estructurales relacionados con la transición de fase, de α a ß, de Pd más allá de 2% v/v H2. Las películas bimetálicas tenían una gama más amplia de detección debido a una restricción en la expansión del retículo que resulta de la transición de fase. La película Pt10Pd90 exhibió las mejores propiedades de detección con una señal estable hasta 50% v/v H2, una alta sensitividad (~ 10%) proporcional a la concentración de hidrógeno hasta 8% v/v H2/N2 y un tiempo de respuesta rápido en el orden de 10 s de magnitud.