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氢传感器助力清洁能源应用

  

氢传感器能够及时准确地检测泄漏,从而避免了氢与空气混合时产生易燃易爆气体。图片来源:查尔默斯理工大学

  

      氢气是一种清洁的可再生能源,能为汽车提供动力,且唯一的排放物是水。但是,当氢气与空气混合时极易燃烧,因此亟须非常有效的传感器来解决这个问题。日前,来自瑞典查尔默斯理工大学的研究人员研究出了一个氢传感器,从而加快了氢燃料汽车的应用步伐。

  这项突破性研究成果最近发表在《自然—材料》上。该发现是一种封装在塑料材料中的光学纳米传感器。这种传感器的工作原理是基于一种光学现象——等离子体,当金属纳米粒子被照亮并捕获可见光时就会发生这种现象。传感器的颜色会随着环境中的氢含量变化而发生改变。

  微型传感器周围的塑料不仅可以起到保护作用,而且是一个关键部件。它通过加速将氢气分子吸收到能够被探测到的金属颗粒中,进而提高了传感器的响应时间。与此同时,塑料作为一个对外部环境的有效屏障,能够防止任何其他分子进入到传感器。因此,该传感器可以安全、高效地工作,从而满足汽车行业的严格要求,能够在不到一秒的时间内检测空气中0.1%的氢气。

  查尔默斯理工大学物理系研究员费里·努格罗霍说:“我们开发的传感器不仅是世界上速度最快的,而且稳定性并不会随着时间的变化而降低。我们的传感器的另一个优点是,由于在塑料外壳保护下,我们设计的传感器不需要经常重新校准。”

  探测氢气存在很多方面的挑战性。这种气体不可见,没有气味,但极易挥发和易燃。空气中只需要有4%的氢就能形成氢氧混合气体,在很小的火花下就能点燃。为了确保氢燃料汽车和氢气相关的基础设施足够安全,所设计的传感器必须能够快速、准确地探测到空气中极少量的氢,以便在火灾发生前能够迅速检测到泄漏。

  研究人员表示,虽然最初设计传感器的应用目标是以氢作为能源的载体,但是传感器在其他方面也有应用到的可能性。比如高效的氢传感器在电力网络工业、化学和核能工业中都是必需的,而且可以帮助改善医疗诊断等。

  “我们呼吸中的氢气量可以为炎症和食物不耐受疾病等问题提供答案。我们希望自己的研究成果能够广泛地应用,使它不再仅仅是科学出版物。”该团队成员克里斯托夫·兰哈默说,从长远来看,他们希望传感器能够以高效的方式联合生产,例如应用到3D打印技术。