瑞典查尔姆斯理工大学研究人员推出了世界上检测最快的氢传感器

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据麦姆斯咨询报道,瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员开发出了世界上检测最快的氢传感器,能够满足氢动力汽车未来对传感器的高要求。

氢是一种清洁可再生能源,可以为车辆提供电能,唯一的排放物是清洁的水。不过,氢气与空气混合时极易燃烧、爆炸,因此需要非常有效且高效的传感器对其进行监测。据麦姆斯咨询报道,瑞典查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的研究人员开发出了世界上检测最快的氢传感器,能够满足氢动力汽车未来对传感器的高要求。

研究人员的这项突破性研究成果已经发表于近期出版的著名科学期刊Nature Materials。该发现是一种封装在聚合物材料中的光学纳米传感器。这款传感器基于一种等离子体光学现象,一种在金属纳米颗粒被照射并捕获可见光时发生的现象。当环境中氢含量发生变化时,这款传感器会改变颜色。

这款微型传感器外侧包覆的聚合物不仅起到保护传感器的作用,还是这款传感器的一个关键功能组件。聚合物涂层,降低了氢进入和流出等离子体纳米颗粒的表观活化能。它通过加速氢气分子进入检测氢的金属颗粒,来增加传感器的响应时间。同时,聚合物作为对外界环境的有效屏障,可以防止其他分子进入传感器,造成传感器失活。因而,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,在不到一秒的时间内检测到空气中0.1%的氢气。

“我们不仅开发出了世界上检测最快的氢传感器,而且还开发了一种随时间稳定且不会失活的传感器。与目前的其它氢传感器不同,我们的解决方案不需要经常重新校准,因为它有聚合物涂层的保护,”查尔姆斯理工大学物理系研究员Ferry Nugroho说。

在他博士研究生期间,Ferry Nugroho和他的导师Christoph Langhammer意识到他们正在研究的项目会是一项重大发现。他们通过文献研究发现,目前还没有氢传感器能够满足未来氢能源汽车的严格响应时间要求。于是,他们测试了自己开发的传感器,发现他们的传感器检测时间只需要一秒钟 ,当时甚至还没有对其进行优化。最初主要用作屏障的聚合物,实现了远超他们预想的作用,并且大幅加快了传感器的检测速度。这一发现推动了大量的实验研究和理论工作。

“实验结果令我们非常兴奋。我们希望找到纳米颗粒和聚合物的最佳组合,了解它们一起作用的机理,以及它们是如何加速反应的。我们的努力获得了回报。在短短几个月内,我们达到了所需要的响应时间,并搞清楚了加速响应的基础理论,”Ferry Nugroho说。

氢气的检测在很多方面都具有挑战性。这种气体无色无味,但易挥发且极易燃烧。在空气中仅需要4%的氢就能产生爆炸性氢氧混合气体,只需一点火花就能引燃。因此,为了使未来的氢能源汽车和相关基础设施足够安全,必须能够检测空气中极少含量的氢气。氢传感器需要足够快,以便在发生火灾之前快速检测到氢泄漏。

查尔姆斯理工大学物理系教授Christoph Langhammer说:“开发出这款有望推动氢动力汽车重大突破的传感器,我们非常兴奋,燃料电池产业的前景令人鼓舞。”

尽管目标应用主要是利用氢气作为能量载体的领域,但这款传感器还具有其他应用可能。电力网络行业、化学和核电行业也需要高效的氢传感器,并且,氢传感器还可以帮助改善医疗诊断。

“人体呼吸中的氢气含量,可以为炎症和食物不耐受提供答案。我们希望我们的成果可以在广泛的前沿得到应用,远非发一篇高质量论文这么简单,”Christoph Langhammer说。

从长远来看,希望这款传感器可以用高效的方式连续制造,例如使用3D打印技术。

查尔姆斯理工大学开发的这款传感器基于一种等离子体光学现象,当金属纳米颗粒被照射并捕获某种特定波长的光时所发生的现象。

这款光学纳米传感器包含大量钯-金合金纳米颗粒(这种材料以其类似海绵吸水一样大量吸收氢的能力而闻名)。然后,等离子体效应使传感器在环境中的氢含量发生变化时改变颜色。

传感器外周的聚合物不仅可以起到保护作用,而且还通过促进氢分子加速渗透进入金属纳米颗粒,而增加传感器的响应时间,因而实现更快速的氢检测。同时,聚合物作为对外界环境的有效屏障(因为氢分子较小,其他分子无法透过到达纳米颗粒),可以防止传感器失活。

这款传感器的效率使其能够在不到一秒的时间内检测到空气中0.1%的氢气,从而满足汽车行业对未来氢能源车辆所提出的严苛性能要求。