世界上檢測最快的氫傳感器面世,一秒內(nèi)檢測到空氣中0.1%的氫氣

氫是一種清潔可再生能源，可以為車輛提供電能，唯一的排放物是清潔的水。不過，氫氣與空氣混合時(shí)極易燃燒、爆炸，因此需要非常有效且高效的傳感器對其進(jìn)行監(jiān)測。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的研究人員開發(fā)出了世界上檢測最快的氫傳感器，能夠滿足氫動力汽車未來對傳感器的高要求。

研究人員的這項(xiàng)突破性研究成果已經(jīng)發(fā)表于近期出版的著名科學(xué)期刊Nature Materials。該發(fā)現(xiàn)是一種封裝在聚合物材料中的光學(xué)納米傳感器。這款傳感器基于一種等離子體光學(xué)現(xiàn)象，一種在金屬納米顆粒被照射并捕獲可見光時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)環(huán)境中氫含量發(fā)生變化時(shí)，這款傳感器會改變顏色。

這款微型傳感器外側(cè)包覆的聚合物不僅起到保護(hù)傳感器的作用，還是這款傳感器的一個(gè)關(guān)鍵功能組件。聚合物涂層，降低了氫進(jìn)入和流出等離子體納米顆粒的表觀活化能。它通過加速氫氣分子進(jìn)入檢測氫的金屬顆粒，來增加傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，聚合物作為對外界環(huán)境的有效屏障，可以防止其他分子進(jìn)入傳感器，造成傳感器失活。因而，傳感器可以高效且不受干擾地工作，使其能夠滿足汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求，在不到一秒的時(shí)間內(nèi)檢測到空氣中0.1%的氫氣。

“我們不僅開發(fā)出了世界上檢測最快的氫傳感器，而且還開發(fā)了一種隨時(shí)間穩(wěn)定且不會失活的傳感器。與目前的其它氫傳感器不同，我們的解決方案不需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)，因?yàn)樗芯酆衔锿繉拥谋Ｗo(hù)，”查爾姆斯理工大學(xué)物理系研究員Ferry Nugroho說。

在他博士研究生期間，F(xiàn)erry Nugroho和他的導(dǎo)師Christoph Langhammer意識到他們正在研究的項(xiàng)目會是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。他們通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，目前還沒有氫傳感器能夠滿足未來氫能源汽車的嚴(yán)格響應(yīng)時(shí)間要求。于是，他們測試了自己開發(fā)的傳感器，發(fā)現(xiàn)他們的傳感器檢測時(shí)間只需要一秒鐘 ，當(dāng)時(shí)甚至還沒有對其進(jìn)行優(yōu)化。最初主要用作屏障的聚合物，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)超他們預(yù)想的作用，并且大幅加快了傳感器的檢測速度。這一發(fā)現(xiàn)推動了大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論工作。

“實(shí)驗(yàn)結(jié)果令我們非常興奮。我們希望找到納米顆粒和聚合物的最佳組合，了解它們一起作用的機(jī)理，以及它們是如何加速反應(yīng)的。我們的努力獲得了回報(bào)。在短短幾個(gè)月內(nèi)，我們達(dá)到了所需要的響應(yīng)時(shí)間，并搞清楚了加速響應(yīng)的基礎(chǔ)理論，”Ferry Nugroho說。

氫氣的檢測在很多方面都具有挑戰(zhàn)性。這種氣體無色無味，但易揮發(fā)且極易燃燒。在空氣中僅需要4%的氫就能產(chǎn)生爆炸性氫氧混合氣體，只需一點(diǎn)火花就能引燃。因此，為了使未來的氫能源汽車和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施足夠安全，必須能夠檢測空氣中極少含量的氫氣。氫傳感器需要足夠快，以便在發(fā)生火災(zāi)之前快速檢測到氫泄漏。

查爾姆斯理工大學(xué)物理系教授Christoph Langhammer說：“開發(fā)出這款有望推動氫動力汽車重大突破的傳感器，我們非常興奮，燃料電池產(chǎn)業(yè)的前景令人鼓舞?！?/p>

盡管目標(biāo)應(yīng)用主要是利用氫氣作為能量載體的領(lǐng)域，但這款傳感器還具有其他應(yīng)用可能。電力網(wǎng)絡(luò)行業(yè)、化學(xué)和核電行業(yè)也需要高效的氫傳感器，并且，氫傳感器還可以幫助改善醫(yī)療診斷。

“人體呼吸中的氫氣含量，可以為炎癥和食物不耐受提供答案。我們希望我們的成果可以在廣泛的前沿得到應(yīng)用，遠(yuǎn)非發(fā)一篇高質(zhì)量論文這么簡單，”Christoph Langhammer說。

從長遠(yuǎn)來看，希望這款傳感器可以用高效的方式連續(xù)制造，例如使用3D打印技術(shù)。

世界上檢測最快的氫傳感器

查爾姆斯理工大學(xué)開發(fā)的這款傳感器基于一種等離子體光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒被照射并捕獲某種特定波長的光時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象。

等離子體金屬-聚合物混合納米材料的結(jié)構(gòu)和表征

這款光學(xué)納米傳感器包含大量鈀-金合金納米顆粒（這種材料以其類似海綿吸水一樣大量吸收氫的能力而聞名）。然后，等離子體效應(yīng)使傳感器在環(huán)境中的氫含量發(fā)生變化時(shí)改變顏色。

傳感器外周的聚合物不僅可以起到保護(hù)作用，而且還通過促進(jìn)氫分子加速滲透進(jìn)入金屬納米顆粒，而增加傳感器的響應(yīng)時(shí)間，因而實(shí)現(xiàn)更快速的氫檢測。同時(shí)，聚合物作為對外界環(huán)境的有效屏障（因?yàn)闅浞肿虞^小，其他分子無法透過到達(dá)納米顆粒），可以防止傳感器失活。

這款傳感器的效率使其能夠在不到一秒的時(shí)間內(nèi)檢測到空氣中0.1%的氫氣，從而滿足汽車行業(yè)對未來氫能源車輛所提出的嚴(yán)苛性能要求。