圖1.光學氫傳感器如何工作的示意圖。在氫附近，鉭（Ta）和鈀（Pd）基材料吸收氫（H）。該區(qū)域中的氫氣量越大，材料吸收的氫氣越多。隨著材料吸收氫，其光學性質(zhì)會發(fā)生變化。通過例如測量由材料反射的光的量，可以確定氫壓力或氫濃度。圖片來源：TU Delft

在向完全可持續(xù)的經(jīng)濟過渡中，氫扮演著越來越重要的角色。它已經(jīng)在工業(yè)中得到大規(guī)模使用，但也越來越多地用于可持續(xù)能源存儲，尤其是作為大型和重型車輛的燃料。有計劃將現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為氫網(wǎng)絡(luò)。但是，在某些情況下，氫氣是可燃氣體，有時甚至是爆炸性氣體，因此盡快追蹤最小的氫氣泄漏非常重要。這使得便宜，可靠的傳感器可以快速檢測出至關(guān)重要的少量氫氣。代爾夫特大學的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種非常適合該任務(wù)的材料。

目前，通常使用相對較大且昂貴的設(shè)備來檢測氫氣，這通常需要氧氣和電力才能正常運行。氧氣和電力的這種組合在靠近氫氣的地方可能很危險，從而使該傳感器不適用于許多應(yīng)用。

光學氫傳感器沒有這些缺點。這種類型的傳感器基于以下事實：某些材料在傳感器附近存在氫的瞬間吸收氫時，其光學特性就會發(fā)生變化。光學特性的這種變化例如可以通過考慮材料反射的光量來測量。這里的關(guān)鍵是找到一種傳感材料，當傳感器附近的氫氣濃度增加時，該材料會逐漸吸收更多的氫氣。

目前已知的傳感材料都有其局限性。例如，它們可以測量相對大量的氫，響應(yīng)緩慢，僅在高溫（> 90°C）下起作用，或者制造起來非常復雜�；�于鉭和鈀的Delft傳感器沒有以下任何缺點：它能夠在室溫和高溫以及低濃度和高濃度下準確檢測氫氣。

為了尋求用于光學氫傳感器的最佳傳感材料，代爾夫特大學的研究人員使用了多種先進技術(shù)來表征材料�！俺�了進行光學測量外，我們還使用了自己在代爾夫特的研究堆產(chǎn)生的X射線和中子輻射，以更好地了解這些材料�！� Lars Bannenberg解釋說。“通過這些測量，我們對材料有了更深入的了解，從而使我們能夠改善材料的性能。例如，我們利用了以下事實：材料的行為與制造極薄時的行為略有不同。因此，最終的氫傳感器將僅包含發(fā)現(xiàn)的材料的薄層，其厚度小于人發(fā)的千分之一。”

此圖顯示了光纖，傳感材料位于頂部。綠色發(fā)光表示在光纖中傳輸并在光纖末端部分反射的光。新發(fā)現(xiàn)的材料的主要優(yōu)點是它也可以在室溫下工作，因此不需要加熱。

這種材料之所以與眾不同，是因為它可以測量至少七個數(shù)量級壓力以上的氫氣。這相當于可以測量從幾克面粉到大象重量的任何東西的廚房秤，并且所有這些東西都具有相同的相對精度。這使該傳感器具有多種用途：例如可用于測量氫氣加注站的最小氫氣泄漏量，并還可確定氫氣燃料電池中的氫氣量。

另一個有用的方面是傳感材料的出色響應(yīng)速度：它對氫氣濃度的變化在不到一秒鐘的時間內(nèi)做出反應(yīng)，比大多數(shù)材料要快得多，大多數(shù)材料的響應(yīng)時間通常為幾十秒甚至幾分鐘。單一材料可以完成所有這些工作，這對團隊本身來說是一個驚喜：“我們曾經(jīng)認為我們可以對現(xiàn)有材料進行一些改進，但是事實證明，我們所有的有用特性都超出了我們最瘋狂的夢想， ” Bernard Dam說。

雄心勃勃的計劃

新傳感材料的專利申請已經(jīng)提交，國際知名雜志《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）發(fā)表了有關(guān)該發(fā)現(xiàn)的文章。在不久的將來有雄心勃勃的計劃。例如，研究人員還希望了解這種材料是否也可以用于適合在非常低的溫度（-50°C）下使用的傳感器中，從而也可以在飛機上使用。Herman Schreuders說：“除此之外，我們正在探索構(gòu)建一種原型傳感器的可能性，該傳感器也可以在實驗室外使用�！� “此外，我們想看看傳感器是否可以用于氫燃料電池。”