世界上最快的氫氣感測器：為清潔能源發展鋪路！

導讀

據瑞典查爾姆斯理工大學官網近日報道，該校研究人員開發出世界上最快速的氫氣感測器。它能在不到一秒鐘的時間內檢測到空氣中0.1%的氫氣，將可以滿足未來氫動力汽車應用的性能要求。

背景

氫氣是一種極易燃燒、無色透明、無臭無味、難溶於水的氣體。因此，它可以作為一種清潔、可再生的能量載體為汽車提供動力。氫氣燃燒的產物是水，不會對環境造成任何污染。氫氣可以在風能和太陽能等清潔能源產生的電力幫助下，通過電解水生成。

太陽能電解水制氫裝置（圖片來源：Jack Davis、Justin Bui/ 哥倫比亞大學工程學院）

不幸的是，當與空氣混合時，氫氣高度易燃。因此，無論是氫氣製造或者氫氣使用（例如用於汽車中的燃料電池），都需要非常快速有效的感測器來檢測氫氣泄露。因此，對於一個採用氫氣作為能量載體的可持續發展的社會來說，快速精準的感測器將變得非常重要。

（圖片來源：Yen Strandqvist）

根據美國能源部發布的指南，感測器要能夠迅速檢測出無色無味的氫氣，在60秒內達到充足的響應和恢複次數，檢測出含量為1%的氫氣。

筆者曾為大家介紹過韓國科學技術院（KAIST）科研團隊開發的一種超靈敏、超高速的氫氣感測器，它能在7秒鐘之內檢測到低於1%的氫氣。這是一種基於塗有金屬有機骨架配合物（MOF）的鈀（Pd）納米線超高速氫氣檢測系統。

（圖片來源：KAIST）

創新

今天，筆者要為大家介紹有關氫氣感測器研究的新進展。

近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員們向我們展示了首個可滿足未來氫動力汽車應用性能要求的氫氣感測器。

（圖片來源：Mia Haller?d Palmgren/查爾姆斯理工大學）

近日，研究人員們取得的開拓性成果發表在著名科學期刊《自然材料（Nature Materials）》上，論文標題為：「用於等離激元超高速氫氣檢測的金屬聚合物混合納米材料（Metal-polymer hybrid nanomaterials for plasmonic ultrafast hydrogen detection）」。

技術

他們開發出一個封裝在塑料材料中的光學納米感測器。該感測器的運作基於一種光學現象：等離激元（plasmon）。這種光學感測器含有幾百萬個鈀金合金納米顆粒，鈀金合金材料以海綿一般吸收大量氫氣的能力而聞名。當金屬納米顆粒被照亮並捕捉到可見光時，這種現象就會發生。當環境中的氫氣量變化時，該感測器就會改變顏色。

這個微型感測器周圍的塑料，並不是起到保護作用，而是一種關鍵成分。塑料通過促進氫氣分子滲透到金屬顆粒中，增加了感測器的響應時間。與此同時，塑料作為一道有效的環境屏障，阻止其他任何分子進入並危害感測器。因此，該感測器可以不受打擾地高效工作，以滿足汽車工作的嚴格要求，在不到一秒鐘的時間內檢測到空氣中0.1%的氫氣。

查爾姆斯理工大學物理系研究員菲里·努格羅荷（Ferry Nugroho）表示：「我們不僅開發出了世界上最快速的氫氣感測器，而且這個感測器隨著時間的推移可以保持穩定，不會失效。不同於現今使用的氫氣感測器，我們的解決方案無需經常地重新校準，因為感測器受到了塑料的保護。」

在他攻讀博士期間，菲里·努格羅荷及其導師克里斯托夫·蘭哈默（Christoph Langhammer）意識到，他們正在從事著偉大的工作。曾經有一篇科學論文稱，還沒有人可以成功實現能滿足未來氫動力汽車對響應時間的嚴格要求的氫氣感測器。在閱讀了這篇論文之後，他們測試了他們自己開發的感測器。他們發現，他們距離目標只有一秒之差，而且他們甚至還沒有嘗試對感測器進行優化。塑料，一開始是作為屏障使用，然而它們的作用卻超出了之前的想像，也讓感測器變得更快。這一發現將帶來密集的實驗與理論工作。

菲里·努格羅荷表示：「在那種情況下，沒有東西可以阻擋我們。我們希望發現納米顆粒與塑料的終極組合，理解它們如何在一起工作，以及是什麼讓感測器變得如此快。我們的努力工作取得了成果。就在數月之內，我們達到了要求的響應時間，以及從理論上理解了促使感測器變快的原因。」

從許多方面說，檢測氫氣都具有挑戰性。這種氣體透明無味，但是卻易燃易爆。在空中，只需要4%的氫氣就可以產生氫氧氣，有時也稱為「氫氧混合氣（knallgas）」，最小的火花都可以點燃它。未來，為了足夠安全地應用於氫動力汽車以及相關設施，感測器必須能夠檢測到空氣中極少量的氫氣。感測器的速度需要足夠快，在起火之前迅速地檢測到氫氣泄露。

價值

查爾姆斯理工大學物理系教授克里斯托夫·蘭哈默表示：「這個感測器有望成為氫動力汽車主要突破的一部分，展示這樣一個感測器讓我們感覺很好。在燃料電池工業中，我們觀察到的利益是令人鼓舞的。」

儘管主要目標是將氫氣作為一種能量載體使用，但是感測器也展示出其他的可能性。高效的氫氣感測器也將應用於電網工業、化學和原子能工業，以及幫助改善醫療診斷。

克里斯托夫·蘭哈默表示：「例如，我們呼吸中的氫氣量能反映出炎症和食物不耐症。我們希望我們的成果廣泛地應用，而不僅僅只是發表在科學出版物上。」

未來

從長遠來看，希望在於，該感測器能以一種更加有效的方式生產，例如採用3D列印技術。

關鍵字

氫氣、感測器、可持續發展、新能源

參考資料

【1】http://www.chalmers.se/en/departments/physics/news/Pages/Worlds-fastest-hydrogen-sensor-could-pave-the-way-for-clean-hydrogen-energy.aspx

【2】https://www.nature.com/articles/s41563-019-0325-4

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