快速和準(zhǔn)確的傳感器對(duì)于氫是能源載體的可持續(xù)社會(huì)至關(guān)重要。氫氣是由水產(chǎn)生的，水是借助風(fēng)力或太陽能發(fā)電而分解的。無論是在產(chǎn)生氫氣還是在使用氫氣時(shí)，例如在由燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車中，都需要傳感器。為了避免在氫氣與空氣混合時(shí)形成易燃易爆氣體，氫氣傳感器需要能夠快速檢測(cè)泄漏。圖片來源：Yen Strandqvist /卡爾默斯理工大學(xué)

氫是一種清潔，可再生的能源載體，可以將水作為唯一的排放源來為車輛提供動(dòng)力。不幸的是，氫氣與空氣混合時(shí)極易燃燒，因此需要非常高效的傳感器。現(xiàn)在，來自瑞典查爾默斯理工大學(xué)的研究人員展示了首款能夠滿足未來氫動(dòng)力汽車性能目標(biāo)的氫傳感器。

研究人員的開創(chuàng)性結(jié)果最近發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《自然材料》上。發(fā)現(xiàn)是一種封裝在塑料材料中的光學(xué)納米傳感器。該傳感器根據(jù)一種光學(xué)現(xiàn)象（等離子激元）工作，這種現(xiàn)象在金屬納米粒子被照亮并捕獲可見光時(shí)發(fā)生。當(dāng)環(huán)境中的氫氣量發(fā)生變化時(shí)，傳感器只會(huì)改變顏色。

的塑料周圍的微小傳感器不只是為了保護(hù)，但作為一個(gè)關(guān)鍵組成部分。通過加速氫氣分子被吸收到金屬顆粒中的位置（可以檢測(cè)到它們），它增加了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，塑料可作為對(duì)環(huán)境的有效屏障，防止任何其他分子進(jìn)入并使傳感器失活。因此，該傳感器可以高效且不受干擾地工作，使其能夠滿足汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求-能夠在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到空氣中0.1％的氫。

“我們不僅開發(fā)了世界上最快的氫傳感器，而且還開發(fā)了隨時(shí)間推移穩(wěn)定且不會(huì)失活的傳感器。與當(dāng)今的氫傳感器不同，我們的解決方案不需要經(jīng)常校準(zhǔn)，因?yàn)樗�受到塑料的保護(hù)，查爾莫斯大學(xué)物理系研究員費(fèi)里·努格羅霍（Ferry Nugroho）說。

瑞典查爾默斯工業(yè)大學(xué)的研究人員展示了首款能夠滿足未來氫動(dòng)力汽車性能目標(biāo)的氫傳感器。圖片來源：MiaHallerödPalmgren /查爾默斯理工大學(xué)

那是在他擔(dān)任博士學(xué)位期間 費(fèi)里·努格羅霍（Ferry Nugroho）和他的上司克里斯托夫·朗漢默（Christoph Langhammer）意識(shí)到這一點(diǎn)。在閱讀了一篇科學(xué)文章，指出尚無人能成功滿足未來氫汽車對(duì)氫傳感器施加的嚴(yán)格響應(yīng)時(shí)間要求之后，他們測(cè)試了自己的傳感器。他們意識(shí)到距目標(biāo)僅一秒鐘，甚至沒有嘗試對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。最初主要用作屏障的塑料通過使傳感器速度更快而比他們想象的要好。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了緊張的實(shí)驗(yàn)和理論工作。

“在那種情況下，我們無所不能。我們想找到納米粒子和塑料的終極組合，了解它們?nèi)绾螀f(xié)同作用以及使其如此迅速。我們的努力取得了成果。在短短幾個(gè)月內(nèi)，我們實(shí)現(xiàn)了所需的響應(yīng)時(shí)間，以及對(duì)響應(yīng)時(shí)間有基本的理論了解，” Ferry Nugroho說。

檢測(cè)氫氣在許多方面都具有挑戰(zhàn)性。氣體是看不見的和無味的，但易揮發(fā)且極易燃燒。它僅需要空氣中的百分之四的氫氣即可產(chǎn)生氫氧氣體（有時(shí)被稱為克納爾氣體），該氣體會(huì)以最小的火花點(diǎn)火。為了使氫汽車和未來的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施足夠安全，因此必須有可能檢測(cè)空氣中極少量的氫。傳感器必須足夠快，以便在發(fā)生火災(zāi)之前能夠迅速檢測(cè)到泄漏。

Chalmers物理系教授Christoph Langhammer說：“提出一種有望成為氫動(dòng)力汽車重大突破的一部分的傳感器，真是太好了。我們對(duì)燃料電池行業(yè)的興趣正在激發(fā)。

微型傳感器周圍的塑料不僅用于保護(hù)，而且是關(guān)鍵組件。通過加速氫氣分子被吸收到金屬顆粒中的位置（可以檢測(cè)到它們），增加了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，塑料可作為對(duì)環(huán)境的有效屏障，防止任何其他分子進(jìn)入并使傳感器失活。圖片來源：Yen Strandqvist /卡爾默斯理工大學(xué)

盡管目標(biāo)主要是使用氫作為能量載體，但該傳感器還提供了其他可能性。電力網(wǎng)絡(luò)行業(yè)，化學(xué)和核能行業(yè)需要高效的氫傳感器，并且還可以幫助改善醫(yī)療診斷。

克里斯托夫·蘭漢默（Christoph Langhammer）說：“我們呼吸中的氫氣量可以為炎癥和食物不耐癥等問題提供答案。我們希望我們的研究結(jié)果可以廣泛應(yīng)用。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了科學(xué)出版物�！�

從長遠(yuǎn)來看，希望可以高效地串聯(lián)制造傳感器，例如使用3-D打印機(jī)技術(shù)。

事實(shí)：世界上最快的氫傳感器

查默斯開發(fā)的傳感器基于一種光學(xué)現(xiàn)象-等離激元-這種現(xiàn)象在金屬納米粒子被照亮并捕獲特定波長的光時(shí)發(fā)生。

光學(xué)納米傳感器包含數(shù)百萬種鈀金合金的金屬納米粒子，這種材料以海綿狀吸收大量氫的能力而聞名。當(dāng)環(huán)境中的氫氣量發(fā)生變化時(shí)，等離激元效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致傳感器改變顏色。

傳感器周圍的塑料不僅是一種保護(hù)，而且還通過促進(jìn)氫分子更快地穿透金屬顆粒并因此被更快地檢測(cè)到，從而增加了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，塑料是對(duì)環(huán)境的有效屏障，因?yàn)槌龤湟酝�，沒有其他分子可以到達(dá)納米顆粒，從而防止了失活。

傳感器的效率意味著它能夠在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到空氣中的0.1％氫，從而可以滿足汽車行業(yè)設(shè)定的嚴(yán)格性能目標(biāo)，以便將來應(yīng)用于氫汽車。

該研究是由瑞典戰(zhàn)略研究基金會(huì)在塑料等離子項(xiàng)目的框架內(nèi)資助的。