High-Sensitivity Room-Temperature Micro-Electro-Mechanical System Calorimetric Hydrogen Sensor Enabled by the Palladium Metallene Catalyst

催化作用 材料科学 化学工程 氢传感器 无机化学 电化学气体传感器 硫化氢传感器 化学 钯催化剂
作者
Changkun Zhu,Ming Li,Zechun Li,Jun Yan,Shaojin Shi,Yuehua Chen,Jie Zou,Jiawen Jian,Xinxin Li,Pengcheng Xu
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acssensors.6c00697
摘要

The safe deployment of hydrogen (H 2 ) energy requires highly sensitive sensing technologies that eliminate intrinsic ignition risks. Herein, this work reports a high-performance room-temperature calorimetric H 2 sensor, achieved through the synergistic integration of a highly sensitive single-crystal silicon micro-electro-mechanical systems (MEMS) thermopile with a two-dimensional (2D) Pd metallene catalyst. The ultrathin thickness and defect-rich structure of the Pd metallene provides exceptional catalytic activity for ambient hydrogen oxidation to water, a mechanism directly visualized by in situ Raman microspectroscopy, while the MEMS thermopile efficiently transduces the generated reaction heat into an electrical signal. Compared to sensors employing traditional Pd nanoparticles, the 2D Pd metallene-based device exhibits a remarkable 690-fold enhancement in response signal, alongside significantly accelerated response/recovery kinetics (response/recovery time: ∼3 s). The sensor demonstrates outstanding comprehensive performance, including an extremely low detection limit (<25 ppb), a wide linear detection range (25 ppb to 2%), good selectivity, minimal power consumption (∼4 mW), and long-term stability. This work not only elucidates the superior catalytic properties of 2D Pd metallenes for room-temperature hydrogen oxidation but also establishes a new pathway for developing ultralow-power, high-performance H 2 sensors for safety-critical applications.
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