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傳感器，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－聚合物混合納米材料概念，其中聚合物塗層降低了氫進出等離子體納米顆粒的表觀活化能，同時通過定製的串聯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化體積比相協調，這使得亞秒級傳感器響應時間成為可能。同時，抑制了氫吸附滯後現象，提高了傳感器的檢測極限，使傳感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。傳感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，因此氫傳感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納米粒子的光學納米等離子體氫傳感器已經被引入。在這個領域，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製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侷限性。
新型傳感器的工作原理基於光學現象“等離子體”，當金屬納米粒子被照亮並捕獲可見光時就會發生這種現象。在傳感器中，一旦環境中的氫含量發生變化，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傳感器，還開發出一種隨著時間的推移保持穩定、不會失活的傳感器。不同於當前的氫傳感器，受到塑料保護的新型傳感器不需要經常重新校準。”
儘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。在電網工業、化學工業和核電工業中，高效氫傳感器必不可少，它甚至可以幫助改善醫療診斷。
目前該研究已獲得瑞典戰略研究基金會支持。
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