Overview of Hydrogen Sensor | Sensor Technology
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近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員，與代爾夫特技術大學、丹麥技術大學、華沙大學的研究院，共同研發了超快速氫感測器，可用於氫動力汽車的未來性能指標。
該團隊發表在Nature Materials上的論文，提出了等離子體金屬－聚合物混合奈米材料概念，其中聚合物塗層，降低了氫進出等離子體奈米顆粒的表觀活化能，同時透過定制的串聯聚合物膜提供了失活電阻。
與奈米顆粒提供的，獨特的信號感測器的優化體積比相協調，這使得亞秒級感測器響應時間成為可能。同時，抑制了氫吸附滯後現象，提高了感測器的檢測極限，使感測器在苛刻的化學環境中工作，無長期失活跡象。
事實上，氫氣探測在很多方面都很有挑戰性。這種氣體不可見、沒有氣味、極易揮發、極易燃燒。它只需要空氣中4％的氫就能產生氫氧氣體，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基礎設施足夠安全，必須能夠探測到空氣中極少量的氫。感測器的響應速度必須足夠快，以便在火災發生前，能夠迅速檢測到洩漏。
「在氫氣經濟中，氫氣被視為清潔和可持續能源載體，但由於氫氣在空氣中的可燃性範圍較廣，因此氫感測器的存在將發揮重要作用。」研究團隊中的Nugroho表示：「從安全的角度出發，必須要檢測氫能源儲存系統、車輛和電器以及整個氫分配基礎設施可能出現的任何洩漏。因此，氫傳感器的性能目標規定在指定室溫下響應時間為1s，跨越濃度範圍覆蓋0.1％－10％。」
為了滿足上述具有挑戰性的目標，基於氫化物形成金屬奈米粒子的，光學奈米等離子體氫感測器，已經被引入。在這個領域，與許多其他氫感測器平台一樣，Pd成為首選的功能材料，能夠在環境條件有效地分解氫氣，並在室溫下可逆地從金屬氫化物，轉變為金屬氫化物，從而產生相當大的光學對比度。
但Pd材料的其他缺點，如遲滯行為和響應時間低於目標值、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。
而研究團隊新研發的等離子體金屬－聚合物光學氫感測器平台，利用了PdAu合金等離子體，奈米顆粒信號感測器與定制的聚合物薄膜層結合，所產生的共性和協同效應，克服了上述長期存在的局限性。
新型感測器的工作原理，基於光學現象「等離子體」，當金屬奈米粒子被照亮，並捕獲可見光時，就會發生這種現象。在感測器中，一旦環境中的氫含量發生變化，感測器就會改變顏色。
微型感測器周圍配備的塑料，不僅可以起到保護作用，而且還是一個關鍵部件。它透過加速將氫氣分子，吸收到能夠被探測到的金屬顆粒中，提高了感測器的響應時間。
與此同時，塑料作為一個有效的屏障對環境，防止任何其他分子進入和停用感測器。因此，該感測器可以高效且不受干擾地工作，能夠滿足汽車工業的嚴格要求，在不到1秒的時間內檢測空氣中0.1％的氫氣。
Chalmers物理系研究員Ferry Nugroho表示，：「我們不僅開發出了世界上最快的氫感測器，還開發出一種隨著時間的推移保持穩定、不會失活的感測器。不同於當前的氫感測器，受到塑料保護的新型感測器，不需要經常重新校准。」
儘管感測器的主要目的，是利用氫作為能量載體，但感測器也提供了其他可能性。在電網工業、化學工業和核電工業中，高效氫感測器必不可少，它甚至可以幫助改善醫療診斷。
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