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研究人员开发了一种多功能的氢传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/3/12

图1.光学氢传感器如何工作的示意图。在氢附近,钽(ta)和钯(pd)基材料吸收氢(h)。该区域中的氢气量越大,材料吸收的氢气越多。随着材料吸收氢,其光学性质会发生变化。通过例如测量由材料反射的光的量,可以确定氢压力或氢浓度。图片来源:tu delft


在向完全可持续的经济过渡中,氢扮演着越来越重要的角色。它已经在工业中得到大规模使用,但也越来越多地用于可持续能源存储,尤其是作为大型和重型车辆的燃料。有计划将现有的天然气网络转换为氢网络。但是,在某些情况下,氢气是可燃气体,有时甚至是爆炸性气体,因此尽快追踪最小的氢气泄漏非常重要。这使得便宜,可靠的传感器可以快速检测出至关重要的少量氢气。代尔夫特大学的研究人员现在已经开发出一种非常适合该任务的材料。


目前,通常使用相对较大且昂贵的设备来检测氢气,这通常需要氧气和电力才能正常运行。氧气和电力的这种组合在靠近氢气的地方可能很危险,从而使该传感器不适用于许多应用。


光学氢传感器没有这些缺点。这种类型的传感器基于以下事实:某些材料在传感器附近存在氢的瞬间吸收氢时,其光学特性就会发生变化。光学特性的这种变化例如可以通过考虑材料反射的光量来测量。这里的关键是找到一种传感材料,当传感器附近的氢气浓度增加时,该材料会逐渐吸收更多的氢气。


目前已知的传感材料都有其局限性。例如,它们可以测量相对大量的氢,响应缓慢,仅在高温(> 90°c)下起作用,或者制造起来非常复杂。基于钽和钯的delft传感器没有以下任何缺点:它能够在室温和高温以及低浓度和高浓度下准确检测氢气。


为了寻求用于光学氢传感器的最佳传感材料,代尔夫特大学的研究人员使用了多种先进技术来表征材料。“除了进行光学测量外,我们还使用了自己在代尔夫特的研究堆产生的x射线和中子辐射,以更好地了解这些材料。” lars bannenberg解释说。“通过这些测量,我们对材料有了更深入的了解,从而使我们能够改善材料的性能。例如,我们利用了以下事实:材料的行为与制造极薄时的行为略有不同。因此,最终的氢传感器将仅包含发现的材料的薄层,其厚度小于人发的千分之一。”


此图显示了光纤,传感材料位于顶部。绿色发光表示在光纤中传输并在光纤末端部分反射的光。新发现的材料的主要优点是它也可以在室温下工作,因此不需要加热。


这种材料之所以与众不同,是因为它可以测量至少七个数量级压力以上的氢气。这相当于可以测量从几克面粉到大象重量的任何东西的厨房秤,并且所有这些东西都具有相同的相对精度。这使该传感器具有多种用途:例如可用于测量氢气加注站的最小氢气泄漏量,并还可确定氢气燃料电池中的氢气量。


另一个有用的方面是传感材料的出色响应速度:它对氢气浓度的变化在不到一秒钟的时间内做出反应,比大多数材料要快得多,大多数材料的响应时间通常为几十秒甚至几分钟。单一材料可以完成所有这些工作,这对团队本身来说是一个惊喜:“我们曾经认为我们可以对现有材料进行一些改进,但是事实证明,我们所有的有用特性都超出了我们最疯狂的梦想, ” bernard dam说。


雄心勃勃的计划

新传感材料的专利申请已经提交,国际知名杂志《先进功能材料》(advanced functional materials)发表了有关该发现的文章。在不久的将来有雄心勃勃的计划。例如,研究人员还希望了解这种材料是否也可以用于适合在非常低的温度(-50°c)下使用的传感器中,从而也可以在飞机上使用。herman schreuders说:“除此之外,我们正在探索构建一种原型传感器的可能性,该传感器也可以在实验室外使用。” “此外,我们想看看传感器是否可以用于氢燃料电池。”


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