濕度越高越靈敏：新型氫氣傳感器為綠色制氫安全護(hù)航

在氫氣存在的任何環(huán)境中，都必須配備安全傳感器以檢測泄漏，并防止氫氣與空氣混合形成易燃的氧氫氣體。然而，目前的傳感器在潮濕環(huán)境下表現(xiàn)不佳——而氫氣存在的地方通常伴隨濕度。如今，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）的研究人員研發(fā)出一種新型氫氣傳感器，非常適合潮濕環(huán)境，而且濕度越高，傳感器性能越強(qiáng)。

查爾姆斯大學(xué)博士生、該研究論文的第一作者 Athanasios Theodoridis 表示：“氫氣傳感器的性能會因環(huán)境不同而顯著變化，而濕度是一個重要因素。如今很多傳感器在潮濕環(huán)境下會變慢或性能下降。當(dāng)我們測試新傳感器概念時發(fā)現(xiàn)，濕度越高，對氫氣的響應(yīng)越強(qiáng)。我們花了一段時間才真正理解這是如何實現(xiàn)的。”該論文發(fā)表在期刊《ACS Sensors》上。

氫氣在交通運輸領(lǐng)域的重要性日益增加，同時也是化工原料和綠色鋼鐵制造的關(guān)鍵原料。空氣中水分常年存在，同時氫氣在與氧反應(yīng)釋放能量時（例如氫燃料電池，用于氫動力汽車或船舶）也會生成水。此外，燃料電池自身也需要水分，以防內(nèi)部隔膜干燥，從而維持氫氧分離功能。

氫氣生產(chǎn)和儲存設(shè)施也始終與周圍空氣接觸，空氣濕度會隨溫度和天氣變化而波動。因此，為了防止易揮發(fā)的氫氣泄漏并形成可燃的氧氫混合氣體，這些設(shè)施同樣需要可靠且耐濕的傳感器。

查爾姆斯大學(xué)開發(fā)的新型氫氣傳感器尺寸僅如指尖大小，內(nèi)部含有微小的鉑納米顆粒。這些顆粒同時起到催化劑和傳感器的作用：鉑催化氫氣與空氣中的氧反應(yīng)，釋放熱量，使傳感器表面形成的水膜“沸騰蒸發(fā)”。空氣中氫氣的濃度決定了水膜蒸發(fā)的量，而空氣濕度則控制水膜的厚度。因此，可以通過測量水膜厚度來間接測定氫氣濃度。隨著空氣濕度升高，水膜變厚，傳感器效率也隨之提高。

這種過程的結(jié)果可以通過等離子體共振（plasmons）光學(xué)現(xiàn)象觀察：鉑納米顆粒捕獲光線并呈現(xiàn)特定顏色。當(dāng)環(huán)境中氫氣濃度變化時，納米顆粒顏色隨之改變，在達(dá)到危險濃度時，傳感器會觸發(fā)報警。

在查爾姆斯，等離子氫氣傳感器的開發(fā)已持續(xù)多年。Christoph Langhammer 教授團(tuán)隊在傳感器響應(yīng)速度、靈敏度，以及利用人工智能優(yōu)化傳感器性能和耐濕性方面取得多項突破。此前，該團(tuán)隊的傳感器主要基于鈀納米顆粒，鈀能像海綿吸水一樣吸收氫氣。新開發(fā)的鉑基概念是在查爾姆斯 TechForH2 能力中心框架下研發(fā)的，催生了一種新型傳感器——催化等離子氫氣傳感器（catalytic plasmonic hydrogen gas sensor），開啟了新的可能性。

Athanasios Theodoridis表示：“我們對傳感器進(jìn)行了超過140小時的連續(xù)潮濕空氣測試。結(jié)果顯示，無論在何種濕度條件下，傳感器均穩(wěn)定可靠，可以準(zhǔn)確檢測氫氣，這對于實際應(yīng)用非常重要。”

根據(jù)研究人員測量，該傳感器可檢測到百萬分之幾（ppm）級別的氫氣：最低可達(dá)30ppm，即環(huán)境中氫氣含量的三千分之一，使其成為世界上在潮濕環(huán)境下最靈敏的氫氣傳感器之一。

查爾姆斯物理學(xué)教授、傳感器公司Insplorion創(chuàng)始人之一 Christoph Langhammer 表示：“目前市場對能在潮濕環(huán)境中表現(xiàn)良好的傳感器需求強(qiáng)烈。隨著氫氣在社會中角色日益重要，人們希望傳感器不僅更小、更靈活，還能大規(guī)模生產(chǎn)并降低成本。我們的新型傳感器概念很好地滿足了這些要求。未來氫氣傳感器可能需要多種活性材料組合，以適應(yīng)不同環(huán)境。我們預(yù)計需要將不同類型的活性材料結(jié)合使用，以制造在各種環(huán)境下都能良好工作的傳感器。現(xiàn)在我們已知道，某些材料提供速度和靈敏度，而另一些材料更耐濕。未來我們將繼續(xù)應(yīng)用這一知識進(jìn)行優(yōu)化。”

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.5c03166

（素材來自：瑞典查爾姆斯理工大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）