基于MXene-SnO2复合敏感材料的氢气传感器及其制备方法以及应用

技术领域

本发明属于气敏传感器技术领域，具体涉及一种基于MXene-SnO

背景技术

近年来，锂离子电池因其具有能量密度大、自放电小、循环寿命长等优势，被广泛应用于新能源电动汽车中。然而，电动汽车在长期运行过程中，电池容易因过充、过放等错误使用发生热失控而被损坏，其中的电解液在热失控过程中分解为各种气体引起锂电池膨胀破裂，导致温度迅速升高进而发生电池组起火爆炸等事故。因此，在锂离子电池行业快速发展的情况下，开展锂离子电池热失控评估预警技术的研究显得尤为重要。

现有的电池热失控故障评估方法主要包括监测电池表面温度、电池压力信号、电池内部电流及电压、电池内阻等，但上述监测评估方法均存在一定弊端，其中，温度监测需要大量的温度传感器覆盖在电池表面，成本高；压力信号容易发生滞后且易受到干扰，响应时间长且准确度不高；电池组内的电流检测成本昂贵，并且电池组中存在大量并联电池，可以抑制电压信号的波动，分辨率不高…相较于上述检测方法，气体检测具有检出限低、分辨率高、响应时间短等优点，因此，气体检测技术成为评估锂电池健康状况的一个新的研究热点。

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化为对应电信号的转换器，根据电信号的强弱得到环境中待测气体存在情况等信息。锂离子电池热失控并最终燃烧的整个过程中，电解液分解为氢气、二氧化碳、一氧化碳等气体，在电池组环境中氢气浓度的突然增加可以表明电解液已因电池发生热失控现象发生分解。因此，可以通过构建氢气传感器准确、快速、连续地监测电池组中的氢气含量用来判断电池是否发生热失控，进而评估锂电池的健康状况。Ti

发明内容

本发明提供了一种基于MXene-SnO

纯MXene气体传感器检测氢气时存在响应时间长、基线漂移等问题，而将MXene与SnO

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于MXene-SnO

所述SnO

所述层状Ti

进一步地，所述基板为陶瓷板电极，优选为陶瓷板银质电极。

本发明第二方面提供一种制备上述基于MXene-SnO

（1）将氟化锂与稀盐酸混合均匀，在搅拌过程中加入钛碳化铝并搅拌反应，反应完成后洗涤混合物并离心，将所得溶液超声过滤、干燥获得层状Ti

（2）将SnCl

（3）将SnO

（4）将MXene-SnO

进一步地，所述步骤（1）中稀盐酸浓度为7.5-8mol/L，钛碳化铝、稀盐酸以及氟化锂的添加比例为1.8g：40-50mL：1.5-2g,反应温度为35-40℃，反应时间为30-40h。

进一步地，所述步骤（2）中煅烧温度为700-850℃，煅烧时间为5-7h，升温速率为1-5℃/min。

进一步地，所述步骤（3）中层状Ti

进一步地，所述步骤（4）中MXene-SnO

本发明第三方面提供了一种基于MXene-SnO

本发明与现有技术相比，有益效果如下：

（1）本发明以盐酸和氟化锂结合刻蚀的方式配合高温煅烧制备得到MXene-SnO

（2）本发明中的氢气传感器响应快速且恢复时间短，浓度检测范围宽，检测限低，并且具有优异的可重复性、稳定性以及选择性，能够实现锂电池热失控早期氢气泄露的高精度、超快速检测。

（3）本发明中MXene作为载流子的主要贡献者，显著提升了MXene-SnO

附图说明

图1为本发明MXene-SnO

图2为本发明MXene-SnO

图3为实施例1中MXene-SnO

图4a为实施例1中MXene-SnO

图5为实施例1中的氢气传感器在不同工作温度下的响应曲线；

图6为实施例1中的氢气传感器对不同浓度氢气的动态电阻响应曲线图；

图7为实施例1中的氢气传感器对不同浓度氢气的响应值曲线图；

图8为实施例1中的氢气传感器对氢气浓度与响应值的拟合曲线图；

图9为实施例1中的氢气传感器对对600ppm氢气的响应及恢复时间曲线图；

图10为实施例1中的氢气传感器对100、400、800ppm氢气循环重复性测试曲线图；

图11为实施例1中的氢气传感器在30d内的长期稳定性测试曲线图；

图12为实施例1中的氢气传感器对几种典型锂电池热失控早期泄漏气体的选择性测试；

图13a为SnO

图14a为SnO

图15a为SnO

图16a为SnO

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

以下实施例中试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。图1为本发明MXene-SnO

实施例1

一种基于MXene-SnO

制备方法包括以下步骤：

S1 将1.8g氟化锂与45mL的7.8mol/L的稀盐酸于36℃水浴条件下搅拌混合均匀，在搅拌过程中缓慢1.8g钛碳化铝，于36℃水浴条件下搅拌反应40h，反应完成后经多次洗涤离心，直到溶液pH达到6得到黑绿色溶液，然后将上述黑绿色溶液进行超声分散、过滤，经35℃真空干燥获得黑色粉末，即层状Ti

S2 将SnCl

S3 将0.1gSnO

S4 将0.1gMXene-SnO

实施例2

一种基于MXene-SnO

制备方法包括以下步骤：

S1 将1.5g氟化锂与40mL的7.5mol/L的稀盐酸于36℃水浴条件下搅拌混合均匀，在搅拌过程中缓慢1.8g钛碳化铝，于36℃水浴条件下搅拌反应30h，反应完成后经多次洗涤离心，直到溶液pH达到6得到黑绿色溶液，然后将上述黑绿色溶液进行超声分散、过滤，经35℃真空干燥获得黑色粉末，即层状Ti

S2 将SnCl

S3 将0.1gSnO

S4 将0.15gMXene-SnO

实施例3

一种基于MXene-SnO

制备方法包括以下步骤：

S1 将2g氟化锂与50mL的8mol/L的稀盐酸于36℃水浴条件下搅拌混合均匀，在搅拌过程中缓慢1.8g钛碳化铝，于36℃水浴条件下搅拌反应40h，反应完成后经多次洗涤离心，直到溶液pH达到6得到黑绿色溶液，然后将上述黑绿色溶液进行超声分散、过滤，经35℃真空干燥获得黑色粉末，即层状Ti

S2 将SnCl

S3 将0.1gSnO

S4 将0.1gMXene-SnO

通过透射电子显微镜照片（图4b）可以证明MXene与SnO

氢气传感器性能测试

传感器测试由动态气敏测试系统执行，将MXene-SnO

将实施例1中制备得到的氢气传感器置于600ppm氢气氛围下，测试其最佳工作温度。结果如图5所示，该传感器在400℃时对600ppm氢气的响应值最高，传感性能最佳，故选取400℃作为传感器的工作温度。

针对本发明实施例1中制备得到的氢气传感器在不同浓度氢气氛围下的动态电阻响应进行表征，结果如图6所示，该氢气传感器的电阻响应随着氢气浓度的增加而增大。图7给出了该传感器在上述基础上对氢气浓度逐步提升的响应值计算曲线图，同时基于MXene-SnO

图9为本发明实施例1中制备得到的氢气传感器对600ppm氢气的响应及恢复时间曲线。从图中可以看出，传感器对氢气的吸附时间为11s，解吸时间为13s，表明MXene与SnO

图12为本发明实施例1中制备得到的氢气传感器对几种典型的锂电池热失控早期泄漏气体的选择性测试。在选择性测试中分别选择600ppm氢气、600ppm一氧化碳、600ppm二氧化碳、600ppm甲烷、600ppm二氧化硫进行检测。从图中可以看出，本发明的传感器对氢气的响应能力明显高于一氧化碳、二氧化碳和其他典型锂电池热失控早期泄漏气体，表明本发明的MXene-SnO

氢气传感器性能机理解释

密度泛函理论（DFT）是一种研究电子体系电子结构的方法。通过DFT可以建立敏感材料表面的微观结构模型与目标气体分子模型，模拟气体分子在敏感材料表面的吸附过程，分析目标气体分子与敏感材料表面之间的相互作用或反应过程。采用DFT可以提出MXene对二氧化锡性能提升的一种合理解释，并进一步验证MXene-SnO

基于VASP (Vienna AB-Initio Simulation Package)对本发明的MXene/SnO

吸附能的计算公式如下：

E

其中，E

基于VASP的MXene-SnO

图15a为SnO

如下基于传感器领域的吸附氧理论对本发明的MXene-SnO

图16给出了MXene-SnO

O

O

O

氢气被MXene-SnO

H

4H

2H

在图16（b）中，SnO

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。