該團隊發(fā)表在Nature Materials上的論文提出了等離子體金屬-聚合物混合納米材料概念,其中聚合物涂層降低了氫進出等離子體納米顆粒的表觀活化能,同時通過定制的串聯(lián)聚合物膜提供了失活電阻。
與納米顆粒提供的獨特的信號傳感器的優(yōu)化體積比相協(xié)調(diào),這使得亞秒級傳感器響應(yīng)時間成為可能。同時,抑制了氫吸附滯后現(xiàn)象,提高了傳感器的檢測極限,使傳感器在苛刻的化學(xué)環(huán)境中工作,無長期失活跡象。
事實上,氫氣探測在很多方面都很有挑戰(zhàn)性。這種氣體不可見、沒有氣味、極易揮發(fā)、極易燃燒。它只需要空氣中4%的氫就能產(chǎn)生氫氧氣體,有時也被稱為knallgas,在最小的火花下就能點燃。為了使氫汽車和未來的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施足夠安全,必須能夠探測到空氣中極少量的氫。傳感器的響應(yīng)速度必須足夠快,以便在火災(zāi)發(fā)生前能夠迅速檢測到泄漏。
“在氫氣經(jīng)濟中,氫氣被視為清潔和可持續(xù)能源載體,但由于氫氣在空氣中的可燃性范圍較廣,因此氫傳感器的存在將發(fā)揮重要作用。”研究團隊中的Nugroho表示:“從安全的角度出發(fā),必須要檢測氫能源儲存系統(tǒng)、車輛和電器以及整個氫分配基礎(chǔ)設(shè)施可能出現(xiàn)的任何泄漏。因此,氫傳感器的性能目標(biāo)規(guī)定在指定室溫下響應(yīng)時間為1s,跨越濃度范圍覆蓋0.1%-10%。”
為了滿足上述具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo),基于氫化物形成金屬納米粒子的光學(xué)納米等離子體氫傳感器已經(jīng)被引入。在這個領(lǐng)域,與許多其他氫傳感器平臺一樣,Pd成為首選的功能材料,能夠在環(huán)境條件有效地分解氫氣,并在室溫下可逆地從金屬氫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇浠?,從而產(chǎn)生相當(dāng)大的光學(xué)對比度。
但Pd材料的其他缺點,如遲滯行為和響應(yīng)時間低于目標(biāo)值、微量物種(如CO和NO2)也能有效毒害Pd上的氫離解等問題仍沒有得到解決。
而研究團隊新研發(fā)的等離子體金屬-聚合物光學(xué)氫傳感器平臺,利用了PdAu合金等離子體納米顆粒信號傳感器與定制的聚合物薄膜層結(jié)合所產(chǎn)生的共性和協(xié)同效應(yīng),克服了上述長期存在的局限性。
新型傳感器的工作原理基于光學(xué)現(xiàn)象“等離子體”,當(dāng)金屬納米粒子被照亮并捕獲可見光時就會發(fā)生這種現(xiàn)象。在傳感器中,一旦環(huán)境中的氫含量發(fā)生變化,傳感器就會改變顏色。
微型傳感器周圍配備的塑料不僅可以起到保護作用,而且還是一個關(guān)鍵部件。它通過加速將氫氣分子吸收到能夠被探測到的金屬顆粒中,提高了傳感器的響應(yīng)時間。與此同時,塑料作為一個有效的屏障對環(huán)境,防止任何其他分子進入和停用傳感器。因此,該傳感器可以高效且不受干擾地工作,能夠滿足汽車工業(yè)的嚴格要求,在不到1秒的時間內(nèi)檢測空氣中0.1%的氫氣。
Chalmers物理系研究員Ferry Nugroho表示,:“我們不僅開發(fā)出了世界上最快的氫傳感器,還開發(fā)出一種隨著時間的推移保持穩(wěn)定、不會失活的傳感器。不同于當(dāng)前的氫傳感器,受到塑料保護的新型傳感器不需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)。”
盡管傳感器的主要目的是利用氫作為能量載體,但傳感器也提供了其他可能性。在電網(wǎng)工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和核電工業(yè)中,高效氫傳感器必不可少,它甚至可以幫助改善醫(yī)療診斷。
目前該研究已獲得瑞典戰(zhàn)略研究基金會支持。