Design, Fabrication, and Testing of Amperometric Hydrogen Gas Sensor Based on Palladium Nanoparticles Mounted on Multi-Walled Carbon Nanotubes

Design, Fabrication, and Testing of Amperometric Hydrogen Gas Sensor Based on Palladium Nanoparticles Mounted on Multi-Walled Carbon Nanotubes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
STAMPED=Final_MS_Thesis_Ismail(16052020)-signed.pdf
Restricted to Repository staff only until 21 May 2021.

Download (2MB)

Arabic Abstract

إنّ مراقبة تسرّب غاز الهيدروجين لتوفير السلامة ضد أي حوادث قد تحدث أثناء عملية إنتاج أو نقل غاز الهيدروجين لأمر في غاية الأهمية. تعتبر حساسات الغاز الأمبيرومترية مرشحًا ممتازًا للسلامة والرصد الصناعي للهيدروجين. في هذه الأطروحة ، تم تطوير و تصنيع تصميم لمستشعر تدّفق غاز الهيدروجين الأمبيرومتري. تم تصنيع مادة الإستشعار من جسيمات البلاديوم النانوية، الموزعة على أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران والموظفة عن طريق حامض الكربوكسيل، وترسيبها على صفائح غشاء البولي ترافلوروإيثيلين لتصنيع القطب المستشعر. تم تحليل مادة الإستشعار عن طريق حيود الأشعة السينية ، والمجهر الإلكتروني الماسح ، والتحليل الطيفي المشتت للطاقة ، والميكروسكوب الإلكتروني النافذ عالي الدقة ، والمطيافية كهروضوئيّة بالأشعة السينية. أظهر كل من المجهر الإلكتروني و المجهر الإلكتروني عالي الدقة دليلاً على نجاح تكوين الجسيمات النانوية للبلاديوم المعدني على سطح جداران أنابيب الكربون النانوية. أكد الفحص المجهري الإلكتروني النافذ عالي الدقة وأشعة الحيود السينية للمسحوق على وجود تعدديّة بلوريّة ، و التي تحتوي على خصائص المكعب مركزي الوجه، لمواد الاستشعار بمتوسط حجم بلوري 2.7 ± 0.8 نانومتر. تم إجراء القياسات الأمبيرومترية للكشف عن غاز الهيدروجين للتأكّد من الاستجابة لمختلف معدلات التدفق لكل من غاز الهيدروجين و النيتروجين. أظهر مستشعر تدفق غاز الهيدروجين الأمبيرومتري إستجابة سريعة واستقرار جيد لفترة طويلة من الزمن مع أقصى نسبة إنحراف تبلغ 2.6٪. أظهر المستشعر حساسية تدفق بمقدار 2.78 مايكرو أمبيرلكل سنتيمتر مكعب في الدقيقة (µA / sccm) ، و حد أدنى للاستشعار بمقدار 3.2 sccm عند 1٪ H2 ، واستجابة خطيّة جيّدة ، مع أقصى نسبة انحراف تبلغ 6.1٪ ، على مدى تدفق 0-50 sccm. كما وجد أنه يمكن أن تتم إعادة تصنيع المستشعر مع اختلاف طفيف في الأداء بنسبة 7.9٪ كحد أقصى

English Abstract

Monitoring hydrogen gas leakages to provide safety against any accidents that might occur in the process of production or transportation of hydrogen gas is of utmost importance. Amperometric gas sensing is an excellent candidate for safety and industrial monitoring of hydrogen. In this thesis, a simple design and fabrication of an amperometric hydrogen gas flow sensor is developed. The active sensing material was synthesized based on palladium nanoparticles decorated on the tubular walls of carboxylic acid functionalized multi-walled carbon nanotubes and deposited on polytetrafluoroethylene membrane sheets for fabricating the working electrode. The sensing material was characterized by X-ray powder diffraction, field emission scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, high-resolution transmission electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy. Field emission scanning electron microscopy and high-resolution transmission electron microscopy showed evidence of successful formation of the palladium nanoparticles on the wall-surface of the functionalized multiwalled carbon nanotubes. High resolution transmission electron microscopy and X-ray powder diffraction confirmed the polycrystallinity and face-centered cubical properties of the sensing material with an average crystallite size of 2.7 ± 0.8 nm. The amperometric hydrogen gas detection measurements were carried out to confirm the response to different flow rates of both H2 and N2. It was confirmed that our sensor is sensitive to H2 flow. The fabricated amperometric hydrogen gas flow sensor showed rapid response and good stability for a long period of time with maximum percentage deviation of 2.6%. It showed a sensitivity of 2.78 µA/sccm, limit of detection of 3.2 sccm at 1% H2, and a good linear response, with maximum percentage deviation of 6.1%, over a flow range of 0-50 sccm. It was also found to be reproducible with maximum percentage difference of 7.9%.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Research
Physics
Divisions: College Of Sciences > Physics Dept
Committee Advisor: Yamani, Zain
Committee Members: Muhammad, Haider and Abdelkarim, Mekki and Nabil, Maalej
Depositing User: ISMAIL BULIYAMINU (g201707250)
Date Deposited: 01 Jun 2020 14:09
Last Modified: 01 Jun 2020 14:09
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141579