近日,上海微系统所李昕欣研究员团队采用基于MEMS芯片的气相原位透射电镜（TEM）表征技术研究了Pd-Ag合金纳米颗粒催化剂在MEMS氢气传感器工况条件下的失效机制（如图1所示）。相关研究研究成果于2022年4月13日以“In Situ TEM Technique Revealing the Deactivation Mechanism of Bimetallic Pd-Ag Nanoparticles in Hydrogen Sensors”为题发表在当期的Nano Letters上（Nano Lett. 2022, 22, 7, 3157–3164），并被选为Supplementary Cover论文（图2）。
图1 采用MEMS芯片气相原位TEM技术揭示氢气传感器失效机制的示意图
图2 该工作被选为Nano Letters当期的Supplementary Cover论文
随着低碳经济的快速发展，氢能作为一种理想的清洁能源被广泛应用于各个领域，如氢燃料电池汽车。经国务院同意，国家发展改革委、国家能源局于近期联合印发了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。为了确保氢气的安全使用，迫切需要开发具有高灵敏度、高选择性、高稳定性且低功耗的氢气传感器。中科院上海微系统所李昕欣和许鹏程研究团队在国家重点研发计划项目《硅基气体敏感薄膜兼容制造及产业化平台关键技术研究》的资助下，积极部署了MEMS低功耗氢气传感器的研究工作。
在半导体敏感材料表面修饰贵金属催化剂是一种提升氢气传感器性能（如灵敏度）的有效方法。然而，半导体气体传感器的工作温度往往高达数百摄氏度。在长期的高温工作环境下，金属催化剂的活性容易衰减，进而引起半导体气体传感器的性能下降甚至失效，阻碍了该类传感器的实用化。传统的材料表征方法通常只能分析敏感材料失活前后微观形貌、结构及成分等的变化，缺乏在工况条件尤其是气氛条件下原位表征敏感材料的能力，难以分析半导体气体传感器的失效机制。
该论文使用气相原位TEM实验，在工况条件下成功观测到了Pd-Ag合金纳米颗粒催化剂的形貌和物相演变全过程，揭示了该合金纳米催化剂在不同工作温度下的失活机制，并据此对MEMS氢气传感器进行了优化，有效推进了氢气传感器的实用化。图3所示 原位 TEM实验结果表明，当半导体氢气传感器在300°C工作时，相邻近的Pd-Ag合金纳米颗粒容易发生融合、颗粒长大现象，并且颗粒的结晶性会提高。Pd-Ag合金纳米颗粒催化剂的粒径增大、缺陷减少，使得其催化活性降低，最终引起了氢气传感器的灵敏度出现衰减。当氢气传感器在更高温度（500°C）下工作时，Pd-Ag合金纳米颗粒会进一步发生相偏析，Ag元素从合金相中析出，同时生成了PdO相，从而导致催化剂丧失了协同增强效应，使得氢气传感器的灵敏度大幅下降甚至失效。
图3 原位TEM实验实时记录了合金催化剂的融合过程
在上述失效机制的指导下，该团队进一步优化了Pd-Ag合金催化剂的元素组成、负载量及工作温度，并使用实验室独立研发的集成式低功耗MEMS传感芯片，成功研制出新一代的氢气传感器。该氢气传感器具有灵敏度高（检测下限优于1 ppm）、长期稳定性好（在300°C下连续工作一个月后，对100 ppm H2的响应值衰减小于1%）、功耗低（300°C下持续工作，功耗仅为22 mW）。该论文采用气相原位TEM技术探讨气体传感器的失效机制，为气体传感器的理论研究与实用化提供了新的研究方式。目前，该MEMS氢气传感器已经在汽车加氢站等领域进行试应用，相关应用工作正在积极推进。
中科院上海微系统所王雪晴博士、李明副研究员为该论文的共同第一作者，许鹏程副研究员、李昕欣研究员为共同通讯作者。该研究工作得到科技部国家重点研发计划项目、国家自然科学基金及中科院仪器研制等项目的支持。
