超快速氢传感器已被研发,可用于氢动力汽车的未来性能指标

2019-04-15 16:06  来源:OFweek氢能网  浏览:6055  
近日,瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员与代尔夫特技术大学、丹麦技术大学、华沙大学的研究院共同研发了超快速氢传感器,可用于氢燃料汽车的未来性能指标。

该团队发表在Nature Materials上的论文提出了等离子体金属-聚合物混合纳米材料概念,其中聚合物涂层降低了氢进出等离子体纳米颗粒的表观活化能,同时通过定制的串联聚合物膜提供了失活电阻。

与纳米颗粒提供的独特的信号传感器的优化体积比相协调,这使得亚秒级传感器响应时间成为可能。同时,抑制了氢吸附滞后现象,提高了传感器的检测极限,使传感器在苛刻的化学环境中工作,无长期失活迹象。

事实上,氢气探测在很多方面都很有挑战性。这种气体不可见、没有气味、极易挥发、极易燃烧。它只需要空气中4%的氢就能产生氢氧气体,有时也被称为knallgas,在最小的火花下就能点燃。为了使氢汽车和未来的相关基础设施足够安全,必须能够探测到空气中极少量的氢。传感器的响应速度必须足够快,以便在火灾发生前能够迅速检测到泄漏。

“在氢气经济中,氢气被视为清洁和可持续能源载体,但由于氢气在空气中的可燃性范围较广,因此氢传感器的存在将发挥重要作用。”研究团队中的Nugroho表示:“从安全的角度出发,必须要检测氢能源储存系统、车辆和电器以及整个氢分配基础设施可能出现的任何泄漏。因此,氢传感器的性能目标规定在指定室温下响应时间为1s,跨越浓度范围覆盖0.1%-10%。”

为了满足上述具有挑战性的目标,基于氢化物形成金属纳米粒子的光学纳米等离子体氢传感器已经被引入。在这个领域,与许多其他氢传感器平台一样,Pd成为首选的功能材料,能够在环境条件有效地分解氢气,并在室温下可逆地从金属氢化物转变为金属氢化物,从而产生相当大的光学对比度。

但Pd材料的其他缺点,如迟滞行为和响应时间低于目标值、微量物种(如CO和NO2)也能有效毒害Pd上的氢离解等问题仍没有得到解决。

而研究团队新研发的等离子体金属-聚合物光学氢传感器平台,利用了PdAu合金等离子体纳米颗粒信号传感器与定制的聚合物薄膜层结合所产生的共性和协同效应,克服了上述长期存在的局限性。

新型传感器的工作原理基于光学现象“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。在传感器中,一旦环境中的氢含量发生变化,传感器就会改变颜色。

微型传感器周围配备的塑料不仅可以起到保护作用,而且还是一个关键部件。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,提高了传感器的响应时间。与此同时,塑料作为一个有效的屏障对环境,防止任何其他分子进入和停用传感器。因此,该传感器可以高效且不受干扰地工作,能够满足汽车工业的严格要求,在不到1秒的时间内检测空气中0.1%的氢气。

Chalmers物理系研究员Ferry Nugroho表示,:“我们不仅开发出了世界上最快的氢传感器,还开发出一种随着时间的推移保持稳定、不会失活的传感器。不同于当前的氢传感器,受到塑料保护的新型传感器不需要经常重新校准。”

尽管传感器的主要目的是利用氢作为能量载体,但传感器也提供了其他可能性。在电网工业、化学工业和核电工业中,高效氢传感器必不可少,它甚至可以帮助改善医疗诊断。

目前该研究已获得瑞典战略研究基金会支持。

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