世界上最快的氢传感器可为清洁氢能源铺平道路

氢是一种清洁和可再生的能源载体,可以为车辆供电,水是唯一的排放。不幸的是,氢气与空气混合时是高度易燃的,因此需要非常有效和高效的传感器。现在,来自瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员展示了第一批用于氢动力汽车未来性能指标的氢传感器。

研究人员的突破性成果最近发表在科学杂志“ 自然材料”上。该发现是一种封装在塑料材料中的光学纳米传感器。传感器基于光学现象 - 等离子体 - 在金属纳米颗粒被照射并捕获可见光时发生。当环境中的氢气量发生变化时,传感器只会改变颜色。

微型传感器周围的塑料不仅仅是用于保护,而是作为关键部件。它通过加速氢气分子吸收到可检测到的金属颗粒中来增加传感器的响应时间。同时,塑料作为对环境的有效屏障,防止任何其他分子进入和停用传感器。因此,传感器可以高效且不受干扰地工作,使其能够满足汽车行业的严格要求 - 能够在不到一秒的时间内检测到空气中0.1%的氢气。

“我们不仅开发了世界上最快的氢传感器,而且还开发了一种随时间稳定并且不会失活的传感器。与今天的氢传感器不同,我们的解决方案不需要经常重新校准,因为它受到塑料的保护, “查尔默斯物理系研究员Ferry Nugroho说。

在他担任博士生期间,Ferry Nugroho和他的主管Christoph Langhammer意识到他们正在做一些大事。在阅读了一篇科学文章后,他们表示没有人能够成功实现氢传感器对未来氢能汽车的严格响应时间要求,他们测试了自己的传感器。他们意识到距离目标只有一秒钟 - 甚至没有尝试优化它。最初主要用作屏障的塑料,通过使传感器更快,完成了比他们想象的更好的工作。这一发现导致了一段激烈的实验和理论工作。

“在那种情况下,没有阻止我们。我们希望找到纳米粒子和塑料的最终组合,了解它们如何一起工作以及它是如何快速的。我们的努力取得了成果。在短短几个月内,我们实现了需要的响应时间以及对促进它的基本理论理解,“Ferry Nugroho说。

在许多方面检测氢气具有挑战性。这种气体看不见无味,但易挥发,极易燃烧。它在空气中仅需要4%的氢来产生氢氧气,有时也称为knallgas,它以最小的火花点燃。为了使氢汽车和未来的相关基础设施足够安全,因此必须能够检测空气中极少量的氢。传感器需要足够快,以便在发生火灾之前快速检测到泄漏。

Chalmers物理系教授Christoph Langhammer说:“能够展示一种能够成为氢动力汽车重大突破的传感器的感觉非常棒。我们对燃料电池行业的兴趣令人鼓舞。”

尽管目标主要是使用氢气作为能量载体,但传感器还具有其他可能性。电力网络行业,化学和核电行业需要高效的氢传感器,并且还可以帮助改善医疗诊断。

“我们呼吸中的氢气量可以为炎症和食物不耐受提供答案。我们希望我们的结果能够在广泛的前沿使用。这不仅仅是科学出版物,”Christoph Langhammer说。

从长远来看,希望传感器可以以有效的方式串联制造,例如使用3D打印机技术。

事实:世界上最快的氢传感器

Chalmers开发的传感器基于光学现象 - 等离子体 - 当金属纳米粒子被照射并捕获特定波长的光时发生。

光学纳米传感器包含数百万个钯 - 金合金的金属纳米颗粒,这种材料以其海绵状吸收大量氢的能力而闻名。然后,等离子体效应使传感器在环境中的氢量变化时改变颜色。

传感器周围的塑料不仅是一种保护,而且还通过促进氢分子更快地穿透金属颗粒并因此更快地检测来增加传感器的响应时间。同时,塑料作为对环境的有效屏障,因为除了氢之外没有其他分子可以到达纳米颗粒,这可以防止失活。

传感器的效率意味着它能够在不到一秒的时间内检测到空气中0.1%的氢气,从而满足汽车行业为未来氢气车辆应用所设定的严格性能指标。

该研究由瑞典战略研究基金会资助,在塑料等离子体项目的框架内。