[发明专利]均相介孔氧化铑/氧化铝复合催化材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料合成与传感器技术领域，具体地涉及到均相介孔氧化铑/氧化铝复合催化材料及其制备方法和所述材料在MEMS甲烷催化燃烧传感器上的应用。

背景技术

介孔材料具有排列规则有序的孔道、大小可调且分布范围极窄的孔径以及表面易于化学改性等优点，突破了以往沸石分子筛的孔径限制，使很多在沸石分子筛中难以完成的大分子的吸附、分离、进行催化反应成为可能。     在介孔催化领域中，真正能起催化作用或与负载的催化剂起协同作用的往往是那些非硅介孔材料。因此，对非硅基介孔材料的研究已成为近年来新兴的一个学科，成为新材料研究领域的一个热点。但是，由于非硅基介孔材料具有可变的化合价和较差的热稳定，其合成相比较于氧化硅基更为困难。目前，非硅基介孔材料的合成方法主要是采用硬模板法。由于采用介孔氧化硅作为模板，其制备过程较为复杂，成本较高，限制了非硅基介孔材料的实际应用。

对贵金属介孔催化材料而言，目前主要是采用负载的方法将其负载在介孔载体上。这种负载方法往往具有其局限性，负载量大极易引起孔道堵塞，影响其催化作用的发挥。在某些需要高含量贵金属催化剂的领域，如何采用简单的方法合成具有高贵金属含量的，高比表面的介孔贵金属催化材料是目前催化领域急待解决的一个问题。

在传感器的应用领域，工业上对可燃气体的检测主要是利用催化燃烧式传感器来进行。催化燃烧式传感器的原理是：利用一个双路电桥（一般称作“惠斯通电桥”）检测单元，在其中的一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质，不论何种易燃气体，只要它能够被电极引燃，铂金丝电桥的电阻就会由于温度的变化而发生改变，这种电阻的变化与可燃气体的浓度成一定比例，通过仪器的电路系统和微处理机可以计算出可燃气体的浓度。其中，起催化作用的元件被称之为催化燃烧元件。

传统的贵金属绕丝的催化燃烧元件一般用直径为20～50μm 的Pt丝绕成螺旋状，涂覆氧化铝前驱体溶液，烧结成直径1mm的氧化铝球，再浸渍贵金属催化剂烧结制得。但是，这种元件有两个缺陷：

第一个缺陷是：传感器催化元件的机械强度不是很好，长期使用之后催化活性有衰减。因其绕丝采用的Pt丝很细，且经常处在冷热循环状态中（由于气体浓度不同，催化燃烧释放的热量会有变化，因气体流速的不同热量的损失也会有不同），加之工业环境经常有的振动和碰撞，很容易引起传感器催化元件的断丝，导致元件失效。此外，催化剂工作温度在500摄氏度以上，长时间使用后传感器催化元件活性的衰减在所难免。

第二个缺陷是：传感器催化元件的功耗高。在便携式仪表中，为降低功耗延长待机时间，通常是采用的Pt丝阻值越大越好，这样，电阻的温度效应就会明显。但是，Pt丝又不能做得太细，否则使用中更易出现熔断现象。

目前，针对便携式仪表的使用问题，传统的可燃气体催化燃烧传感器一般采用高电压（4.25 V左右）、低电流（>50mA）的催化燃烧元件，其功耗普遍在200 mW以上。以便携式仪表普遍选用的3600 mAh锂离子充电电池来计算，60 mA的恒电流工作仅能维持60小时，其中还没有计算主板芯片、液晶显示器的耗电量，而且便携式仪表往往是可对多气体进行检测的，因此，还应该考虑其它传感器的用电。因此，降低催化燃烧传感器的功耗就显得十分必要。

微机电系统（MicroelectroMechanical Systems, 简称MEMS）及微传感器的制造技术是解决上述问题的捷径。微机电系统（MEMS）与传统的传感器相比具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。但是，到目前为止，还未见到有基于微机电系统（MEMS）的催化燃烧传感器的报道。

基于MEMS技术的微加热器采用硅片上的平面加热器结构，因此不会出现传统催化燃烧元件中出现断路的情况。再由于加热的Pt薄膜厚度小于 0.1 μm，其电阻阻值远远大于绕丝元件（在一般室温下，绕丝元件的阻值在10欧姆左右，而微加热器的阻值能达到200欧姆），显著的电阻温度效应能提高传感器的灵敏度。目前，在采用基于微机电系统（MEMS）技术制备的微加热器上制备基于MEMS 技术的低功耗甲烷催化燃烧传感器（以下简称MEMS甲烷催化燃烧传感器）已成为甲烷催化燃烧传感器研究的一个重要方向。