多孔硅基微型直接甲醇燃料电池用催化电极的制备

针对硅基微型直接甲醇燃料电池小型化的需要,提供一种新型多孔硅基催化电极的制备方法,即采用硅片阳极氧化的方法首先得到多孔硅作为催化电极的基底材料,然后采用化学镀铂及铂钌的方法分别在多孔硅上沉积出催化剂镀层,制备出阴极和阳极催化电极.多孔硅具有巨大的比表面积,使化学镀的催化剂层拥有不连续的三维结构,能显著的增加催化剂的活性面积,同时化学镀液中贵金属的利用率高达95%,可以有效地节约贵金属用量.研究中采用扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),能量色散X射线分析(EDX)对多孔硅的形貌及催化剂层的物理性能进行了分析.     

微型直接甲醇燃料电池的三维数值模拟研究

运用计算流体力学软件COMSOLTM建立了微型直接甲醇燃料电池(μDMFC)三维数值模型,并用MEMS工艺制作电池进行实验验证.模型耦合了连续性方程、电化学反应方程和动量方程等.通过对模型求解,输出了平均电流密度和电压等参数.分析了扩散层和催化层结构参数对电池性能的影响,结果表明:过厚的催化层对电池性能提升并无太大帮助,在增大电催化剂Pt担量前提下应尽量减小催化层厚度.     

采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料电池的设计和制作

在堆栈式微型直接甲醇燃料电池μ-DMFC(Micro-Direct Methanol Fuel Cell)中,为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂,采用了硅和PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)材料分别制作阳极和阴极流场板。首先,采用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制作硅基阳极流场板。其次,通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS表面活化等改进措施显著提升了PDMS阴极流场板金属化的能力。最后,比较和分析阳极流场板上3种不同结构的流道形式的堆栈式μ-DMFC的输出性能。实验结果表明,活化后的PDMS阴极流场板与Cr/Au的粘附性能和粘接强度显著提高,同时阳极流场板的流道一半开设为凸台,一半开设为通孔时,其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。最大输出电流密度为81.25 mA/cm2,最大输出功率为7.73 mW/cm2。采用硅和PDMS材料分别制作流场板,不仅简化了堆栈式μ-DMFC的结构,而且能够缓冲锁紧力,有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构,能够有效提升堆栈式μ-DMFC的输出性能。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.     

采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料的设计和制作

在堆栈式微型直接甲醇燃料电池（Micro-direct methanol fuel cell，简称μ-DMFC）中，为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂，采用了硅和PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）材料分别制作阳极和阴极流场板。首先，采用MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）技术制作硅基阳极流场板。其次，通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS 表面活化等改进措施显著提升了PDMS阴极流场板金属化的能力。最后，比较和分析阳极流场板上三种不同结构的流道形式的堆栈式μ-DMFC 的输出性能。实验结果表明，活化后的PDMS 阴极流场板与Cr/Au 的粘附性能和粘接强度显著提高，同时阳极流场板的流道一半开设为凸台，一半开设为通孔时，其堆栈式μ-DMFC 的输出性能最优。最大输出电流密度为81.25mA/cm2，最大输出功率为7.73mW/cm2。采用硅和PDMS 材料分别制作流场板，不仅简化了堆栈式μ-DMFC 的结构，而且能够缓冲锁紧力，有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构，能够有效提升堆栈式μ-DMFC 的输出性能。     

基于SOI-MEMS工艺的谐振式压力传感器研究

提出了一种电磁激励、差分检测的谐振式MEMS压力传感器,该器件采用低电阻率的SOI器件层单晶硅制作“H”型谐振梁,并作为激励和检测电极。根据对传感器数学模型的分析,利用有限元分析方法优化了传感器结构设计。采用等离子深刻蚀制作传感器结构,并用湿法腐蚀SOI二氧化硅层的方法释放。利用硅-玻璃阳极键合技术,实现了传感器的圆片级真空封装。采用开环扫描检测和闭环自激振荡方式,测定压力传感器的特性。实验结果表明：传感器一致性良好,在500~1100hPa的检测范围内,差分检测灵敏度为14.96Hz/hPa,线性相关系数为0.999996。     

基于柔性微电极的高灵敏度MEMS电化学地震检波器

为了进一步降低微机电系统(MEMS)电化学地震检波器敏感电极的加工成本,提升传感器的灵敏度,推动其在地球物理勘探等领域的发展,提出了一种基于柔性微电极结构的新型MEMS电化学地震检波器.与基于硅衬底制作敏感电极相比,敏感电极的制作方法可以通过有效减小电极间距,大幅度提升传感器的灵敏度,大幅降低工艺成本.介绍了柔性微电极的加工工艺流程,并对传感器的性能进行了测试.结果表明:提出的地震检波器较基于硅衬底微电极器件灵敏度提高了一个数量级.     

一种水清洁阳极的基于甲醇渗透的浓度传感器

提出一种基于膜电极(MEA)结构的驱动模式甲醇浓度传感器。甲醇溶液从MEA阴极流过,通过MEA渗透到阳极,Nafion膜既是电解质膜又是甲醇渗透膜。由于引入水清洁阳极,有效避免了甲醇的累积,提高了该传感器稳定性和重现性。该传感器测量范围最大可以达到5 mol/L,适合于直接甲醇燃烧电池(DMFC)系统中甲醇的监测。     

基于铜配合物和抗体包被化学镀纳米金共固定的癌胚抗原安培免疫传感器

研制了基于抗体包被化学镀纳米金(AuNPs)和[Cu (bpy) 2 (ONO)]NO3配合物(CuL）共固定修饰玻碳电极(GCE)的安培免疫传感器,并用于血清中癌胚抗原(CEA)的检测。首先将GCE电极表面氧化形成羧基,进而键合上乙二胺。将此胺化电极浸泡在CuL和化学镀金溶液后, CuL可通过π-π堆积作用吸附到GCE表面,并在电极表面还原成30~50 nm的纳米金层（GCE|CuL/AuNPs）。将上述电极浸泡在CEA抗体(anti CEA)溶液中,利用AuNPs固定anti CEA,并通过辣根过氧化物酶(HRP)封闭剩余的AuNPs位点,由此构建了一类快速检测 CEA的无试剂安培免疫传感器（GCE|CuL-AuNPs /anti CEA-HRP）。由于HRP可以催化CuL和过氧化脲（CP）的氧化还原反应,因此该电极在CP溶液中形成催化还原电流。当该传感器在37 ℃下,含CEA的pH 6.5PBS溶液中温育30 min后,随着温育液中CEA浓度的增加,电极表面形成的免疫复合物也增加,导致CuL 对CP 的催化电流下降。电流下降百分比I%与CEA浓度在0.1~80 ng/mL 成线性关系,检测限为0.052 ng/mL（3σ）。由于采用化学镀法可以方便地在GCE表面制备纳米金膜进而包被抗体,并通过π-π堆积作用吸附CuL作为电子媒介体,故该免疫电极制备简单;采用可催化CP还原的HRP封闭AuNPs层多余位点,大大提高了电极灵敏度,有望用血清中痕量CEA分析。     

基于Pd-Ni/Si Nanowires电极室内甲醛实时监测处理装置

研究设计一种室内甲醛气体实时监测和处理一体化装置。首先,通过电化学方法刻蚀大面积硅纳米线阵列并通过无电镀技术制备镍/硅纳米线(Ni/Si Nanowires)和钯-镍/硅纳米线(Pd-Ni/Si Nanowires)阵列电极,Pd-Ni/Si Nanowires阵列电极对甲醛有很强电化学催化氧化作用,以其为电化学甲醛传感器工作阳极,以Ni/Si Nanowires阵列为对电极,Ag/AgCl为参考电极,循环伏安技术测试结果显示该传感器对甲醛浓度灵敏度高达0.265 mA/(mmol/L),三倍信噪比检测限为2μmol/L。其次,利用STC12C5410AD单片机产生三角波扫描电压模拟循环伏安原理,可利用回路中因催化氧化产生的峰电流值来监测室内甲醛浓度,并进一步通过恒压电催化将甲醛处理。该设计方案新颖、成本低廉、便于携带,具有较大实际应用价值。