背景
氫氣是一種極易燃燒、無色透明、無臭無味、難溶于水的氣體。因此，它可以作為一種清潔、可再生的能量載體為汽車提供動(dòng)力。氫氣燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。氫氣可以在風(fēng)能和太陽能等清潔能源產(chǎn)生的電力幫助下，通過電解水生成。
太陽能電解水制氫裝置（圖片來源：Jack Davis、Justin Bui/ 哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院）
不幸的是，當(dāng)與空氣混合時(shí)，氫氣高度易燃。因此，無論是氫氣制造或者氫氣使用（例如用于汽車中的燃料電池），都需要非常快速有效的傳感器來檢測(cè)氫氣泄露。因此，對(duì)于一個(gè)采用氫氣作為能量載體的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)來說，快速精準(zhǔn)的傳感器將變得非常重要。
（圖片來源：Yen Strandqvist）
根據(jù)美國能源部發(fā)布的指南，傳感器要能夠迅速檢測(cè)出無色無味的氫氣，在60秒內(nèi)達(dá)到充足的響應(yīng)和恢復(fù)次數(shù)，檢測(cè)出含量為1%的氫氣。
筆者曾為大家介紹過韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種超靈敏、超高速的氫氣傳感器，它能在7秒鐘之內(nèi)檢測(cè)到低于1%的氫氣。這是一種基于涂有金屬有機(jī)骨架配合物（MOF）的鈀（Pd）納米線超高速氫氣檢測(cè)系統(tǒng)。
（圖片來源：KAIST）
創(chuàng)新
今天，筆者要為大家介紹有關(guān)氫氣傳感器研究的新進(jìn)展。
近日，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員們向我們展示了首個(gè)可滿足未來氫動(dòng)力汽車應(yīng)用性能要求的氫氣傳感器。
（圖片來源：Mia Haller?d Palmgren/查爾姆斯理工大學(xué)）
近日，研究人員們?nèi)〉玫拈_拓性成果發(fā)表在著名科學(xué)期刊《自然材料（Nature Materials）》上，論文標(biāo)題為：“用于等離激元超高速氫氣檢測(cè)的金屬聚合物混合納米材料（Metal-polymer hybrid nanomaterials for plasmonic ultrafast hydrogen detection）”。
技術(shù)
他們開發(fā)出一個(gè)封裝在塑料材料中的光學(xué)納米傳感器。該傳感器的運(yùn)作基于一種光學(xué)現(xiàn)象：等離激元（plasmon）。這種光學(xué)傳感器含有幾百萬個(gè)鈀金合金納米顆粒，鈀金合金材料以海綿一般吸收大量氫氣的能力而聞名。當(dāng)金屬納米顆粒被照亮并捕捉到可見光時(shí)，這種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。當(dāng)環(huán)境中的氫氣量變化時(shí)，該傳感器就會(huì)改變顏色。
這個(gè)微型傳感器周圍的塑料，并不是起到保護(hù)作用，而是一種關(guān)鍵成分。塑料通過促進(jìn)氫氣分子滲透到金屬顆粒中，增加了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。與此同時(shí)，塑料作為一道有效的環(huán)境屏障，阻止其他任何分子進(jìn)入并危害傳感器。因此，該傳感器可以不受打擾地高效工作，以滿足汽車工作的嚴(yán)格要求，在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到空氣中0.1%的氫氣。
查爾姆斯理工大學(xué)物理系研究員菲里·努格羅荷（Ferry Nugroho）表示：“我們不僅開發(fā)出了世界上最快速的氫氣傳感器，而且這個(gè)傳感器隨著時(shí)間的推移可以保持穩(wěn)定，不會(huì)失效。不同于現(xiàn)今使用的氫氣傳感器，我們的解決方案無需經(jīng)常地重新校準(zhǔn)，因?yàn)閭鞲衅魇艿搅怂芰系谋Ｗo(hù)。”
在他攻讀博士期間，菲里·努格羅荷及其導(dǎo)師克里斯托夫·蘭哈默（Christoph Langhammer）意識(shí)到，他們正在從事著偉大的工作。曾經(jīng)有一篇科學(xué)論文稱，還沒有人可以成功實(shí)現(xiàn)能滿足未來氫動(dòng)力汽車對(duì)響應(yīng)時(shí)間的嚴(yán)格要求的氫氣傳感器。在閱讀了這篇論文之后，他們測(cè)試了他們自己開發(fā)的傳感器。他們發(fā)現(xiàn)，他們距離目標(biāo)只有一秒之差，而且他們甚至還沒有嘗試對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化。塑料，一開始是作為屏障使用，然而它們的作用卻超出了之前的想象，也讓傳感器變得更快。這一發(fā)現(xiàn)將帶來密集的實(shí)驗(yàn)與理論工作。
菲里·努格羅荷表示：“在那種情況下，沒有東西可以阻擋我們。我們希望發(fā)現(xiàn)納米顆粒與塑料的終極組合，理解它們?nèi)绾卧谝黄鸸ぷ鳎约笆鞘裁醋寕鞲衅髯兊萌绱丝臁Ｎ覀兊呐ぷ魅〉昧顺晒＞驮跀?shù)月之內(nèi)，我們達(dá)到了要求的響應(yīng)時(shí)間，以及從理論上理解了促使傳感器變快的原因。”
從許多方面說，檢測(cè)氫氣都具有挑戰(zhàn)性。這種氣體透明無味，但是卻易燃易爆。在空中，只需要4%的氫氣就可以產(chǎn)生氫氧氣，有時(shí)也稱為“氫氧混合氣（knallgas）”，最小的火花都可以點(diǎn)燃它。未來，為了足夠安全地應(yīng)用于氫動(dòng)力汽車以及相關(guān)設(shè)施，傳感器必須能夠檢測(cè)到空氣中極少量的氫氣。傳感器的速度需要足夠快，在起火之前迅速地檢測(cè)到氫氣泄露。
價(jià)值
查爾姆斯理工大學(xué)物理系教授克里斯托夫·蘭哈默表示：“這個(gè)傳感器有望成為氫動(dòng)力汽車主要突破的一部分，展示這樣一個(gè)傳感器讓我們感覺很好。在燃料電池工業(yè)中，我們觀察到的利益是令人鼓舞的。”
盡管主要目標(biāo)是將氫氣作為一種能量載體使用，但是傳感器也展示出其他的可能性。高效的氫氣傳感器也將應(yīng)用于電網(wǎng)工業(yè)、化學(xué)和原子能工業(yè)，以及幫助改善醫(yī)療診斷。
克里斯托夫·蘭哈默表示：“例如，我們呼吸中的氫氣量能反映出炎癥和食物不耐癥。我們希望我們的成果廣泛地應(yīng)用，而不僅僅只是發(fā)表在科學(xué)出版物上。”
未來
從長遠(yuǎn)來看，希望在于，該傳感器能以一種更加有效的方式生產(chǎn)，例如采用3D打印技術(shù)。