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世界上最快的传感器:可满足未来氢动力汽车性能要求的氢传感器

2019-04-15

  背景

  氢气是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味、难溶于水的气体。因此,它可以作为一种清洁、可再生的能量载体为汽车提供动力。氢气燃烧的产物是水,不会对环境造成任何污染。氢气可以在风能和太阳能等清洁能源产生的电力帮助下,通过电解水生成。

  太阳能电解水制氢装置(图片来源:Jack Davis、Justin Bui/ 哥伦比亚大学工程学院)

  不幸的是,当与空气混合时,氢气高度易燃。因此,无论是氢气制造或者氢气使用(例如用于汽车中的燃料电池),都需要非常快速有效的传感器来检测氢气泄露。因此,对于一个采用氢气作为能量载体的可持续发展的社会来说,快速精准的传感器将变得非常重要。

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  (图片来源:Yen Strandqvist)

  根据美国能源部发布的指南,传感器要能够迅速检测出无色无味的氢气,在60秒内达到充足的响应和恢复次数,检测出含量为1%的氢气。

  笔者曾为大家介绍过韩国科学技术院(KAIST)科研团队开发的一种超灵敏、超高速的氢气传感器,它能在7秒钟之内检测到低于1%的氢气。这是一种基于涂有金属有机骨架配合物(MOF)的钯(Pd)纳米线超高速氢气检测系统。

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  (图片来源:KAIST)

  创新

  今天,笔者要为大家介绍有关氢气传感器研究的新进展。

  近日,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员们向我们展示了首个可满足未来氢动力汽车应用性能要求的氢气传感器。

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  (图片来源:Mia Haller?d Palmgren/查尔姆斯理工大学)

  近日,研究人员们取得的开拓性成果发表在著名科学期刊《自然材料(Nature Materials)》上,论文标题为:“用于等离激元超高速氢气检测的金属聚合物混合纳米材料(Metal-polymer hybrid nanomaterials for plasmonic ultrafast hydrogen detection)”。

  技术

  他们开发出一个封装在塑料材料中的光学纳米传感器。该传感器的运作基于一种光学现象:等离激元(plasmon)。这种光学传感器含有几百万个钯金合金纳米颗粒,钯金合金材料以海绵一般吸收大量氢气的能力而闻名。当金属纳米颗粒被照亮并捕捉到可见光时,这种现象就会发生。当环境中的氢气量变化时,该传感器就会改变颜色。

  这个微型传感器周围的塑料,并不是起到保护作用,而是一种关键成分。塑料通过促进氢气分子渗透到金属颗粒中,增加了传感器的响应时间。与此同时,塑料作为一道有效的环境屏障,阻止其他任何分子进入并危害传感器。因此,该传感器可以不受打扰地高效工作,以满足汽车工作的严格要求,在不到一秒钟的时间内检测到空气中0.1%的氢气。

  查尔姆斯理工大学物理系研究员菲里·努格罗荷(Ferry Nugroho)表示:“我们不仅开发出了世界上最快速的氢气传感器,而且这个传感器随着时间的推移可以保持稳定,不会失效。不同于现今使用的氢气传感器,我们的解决方案无需经常地重新校准,因为传感器受到了塑料的保护。”

  在他攻读博士期间,菲里·努格罗荷及其导师克里斯托夫·兰哈默(Christoph Langhammer)意识到,他们正在从事着伟大的工作。曾经有一篇科学论文称,还没有人可以成功实现能满足未来氢动力汽车对响应时间的严格要求的氢气传感器。在阅读了这篇论文之后,他们测试了他们自己开发的传感器。他们发现,他们距离目标只有一秒之差,而且他们甚至还没有尝试对传感器进行优化。塑料,一开始是作为屏障使用,然而它们的作用却超出了之前的想象,也让传感器变得更快。这一发现将带来密集的实验与理论工作。

  菲里·努格罗荷表示:“在那种情况下,没有东西可以阻挡我们。我们希望发现纳米颗粒与塑料的终极组合,理解它们如何在一起工作,以及是什么让传感器变得如此快。我们的努力工作取得了成果。就在数月之内,我们达到了要求的响应时间,以及从理论上理解了促使传感器变快的原因。”

  从许多方面说,检测氢气都具有挑战性。这种气体透明无味,但是却易燃易爆。在空中,只需要4%的氢气就可以产生氢氧气,有时也称为“氢氧混合气(knallgas)”,最小的火花都可以点燃它。未来,为了足够安全地应用于氢动力汽车以及相关设施,传感器必须能够检测到空气中极少量的氢气。传感器的速度需要足够快,在起火之前迅速地检测到氢气泄露。

  价值

  查尔姆斯理工大学物理系教授克里斯托夫·兰哈默表示:“这个传感器有望成为氢动力汽车主要突破的一部分,展示这样一个传感器让我们感觉很好。在燃料电池工业中,我们观察到的利益是令人鼓舞的。”

  尽管主要目标是将氢气作为一种能量载体使用,但是传感器也展示出其他的可能性。高效的氢气传感器也将应用于电网工业、化学和原子能工业,以及帮助改善医疗诊断。

  克里斯托夫·兰哈默表示:“例如,我们呼吸中的氢气量能反映出炎症和食物不耐症。我们希望我们的成果广泛地应用,而不仅仅只是发表在科学出版物上。”

  未来

  从长远来看,希望在于,该传感器能以一种更加有效的方式生产,例如采用3D打印技术。