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WO?薄膜制备工艺优化及氢敏特性研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球对清洁能源的需求不断增长，氢气作为一种高效、清洁的能源载体，在能源领域的应用日益广泛。在海上风电制氢以及地埋氢管道气体传输等实际应用场景中，氢气的安全监测至关重要。WO?薄膜凭借其优异的化学稳定性和较高的氧空位扩散系数，成为氢气传感领域的核心材料之一。当处于复杂的环境中，空气中的水分子和氯离子会对WO?薄膜的氢敏性能产生负面影响，这些杂质可能会覆盖或占据WO?薄膜表面的活性位点，阻碍其与氢气的接触，从而降低传感薄膜的稳定性和氢敏性能。

为了应对这些挑战，通过优化制备工艺和对薄膜进行表面改性，提升WO?薄膜的抗盐雾能力和氢敏稳定性成为研究的关键方向。改进后的WO?薄膜能够在恶劣环境中稳定工作，准确检测氢气浓度，这对保障氢气相关产业的安全运行，推动氢气安全监测技术的发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在WO?薄膜的制备与改性研究方面，国内外学者已取得了一系列成果。目前研究主要集中在溶胶-凝胶法、磁控溅射法等制备工艺。溶胶-凝胶法是一种经济、方便、有效的薄膜制备方法，先采用金属醇盐或其他盐类溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀的溶液，溶液通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的缩聚反应，溶胶转变形成凝胶，再经过热处理，除去凝胶中的剩余有机物和水分，最后形成所需要的薄膜。磁控溅射法利用环状磁场控制下的辉光放电，将电子约束在靶材表面附近，延长其在等离子体中的运动轨迹，提高它参与气体分子碰撞和电离过程的几率，从而显著提高溅射效率和沉积速率，同时也大大提高靶材的利用率，该方法能极大地提高薄膜的沉积速度，改善薄膜的性能，使薄膜中嵌入的气体杂质减少，薄膜表面气孔减少而密实，膜面均匀一致。

在表面修饰技术上，研究涉及Pt掺杂、硅烷偶联剂改性等。有研究采用热蒸发法合成高结晶度的WO?纳米线薄膜，并利用溅射法把Pt纳米颗粒催化剂均匀溅射到纳米线的表面，形成Pt表面修饰WO?纳米线的复合纳米网络结构。气敏传感性能测试结果表明，在工作温度为100-140℃，Pt表面修饰的WO?纳米线薄膜对高浓度氢气具有响应度高（电阻变化率接近100％）、响应时间短（小于1.0s）、可重复性好等特点。也有研究采用全氟癸基三甲氧基硅烷（FAS）和硅烷偶联剂（KH-570）乙醇水溶液对WO?薄膜进行改性处理，提高了薄膜的疏水性和抗氯离子渗透性，实验结果表明，改性后的薄膜接触角达到117°，而未改性薄膜的接触角仅为47°，在5％氢气体积分数下，在连续20次测试中，改性薄膜的平均灵敏度为15.01％，平均响应时间为40s，重复性达98.65％，且改性薄膜在高湿高盐环境下存放7d后，其氢敏性能依然保持稳定；在空气中放置90d，其氢敏性能也未出现劣化现象。这些研究为进一步提升WO?薄膜的性能提供了重要参考，但在复杂环境下的长期稳定性和可靠性仍有待深入研究。

二、WO?薄膜制备工艺研究

2.1传统制备工艺

2.1.1溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是一种较为常见且操作简便的WO?薄膜制备方法。在实际操作中，以钨粉、双氧水作为主要原料，利用它们之间发生的水解-缩聚反应来精心制备WO?溶胶。这种方法的优势在于起始原料相对容易获取，反应过程在液相中进行，使得各组分能够在分子层面上实现均匀混合，从而为后续制备高质量的薄膜奠定基础。制备好的WO?溶胶，会通过旋涂的方式均匀地涂抹在玻璃基底上，随后进行干燥处理，使溶剂挥发，溶胶逐渐固化形成薄膜。旋涂过程中，通过调整旋涂速度可以控制薄膜的厚度和均匀性。溶胶-凝胶法特别适合大面积的薄膜制备，这是因为其工艺过程相对简单，不需要复杂昂贵的设备，降低了制备成本，使得在大规模生产中具有显著的经济优势。

然而，该方法也存在一些需要改进的地方。通过溶胶-凝胶法制备的WO?薄膜，其致密度和均匀性有待进一步提高。薄膜的致密度影响着其物理和化学性能，如气体吸附能力、电学性能等；均匀性则关系到薄膜在不同区域性能的一致性。为了优化这两个关键性能，可以从调整溶胶浓度和旋涂速度入手。研究发现，当溶胶浓度控制在0.1-0.3mol/L这个范围时，能够在一定程度上改善薄膜的结构和性能。若溶胶浓度过低，薄膜中的粒子间结合力较弱，可能导致薄膜的机械强度不足，且容易出现孔洞等缺陷；而浓度过高，则可能使溶胶的粘度增大，在旋涂过程中难以均匀分布，同样影响薄膜的质量。旋涂速度对薄膜质量也有着重要影响，2000-4000r/min的旋涂速度较为合适。较低的旋涂速度可能导致薄膜厚度不均匀，且溶剂挥发速度较慢，容易在薄膜中残留溶剂，影响薄膜的性能；而过高的旋涂速度可能会使溶胶在离心力