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(yáng)能發(fā)電而分解的。無(wú)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(lái)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(lái)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�，F(xiàn)在，來(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)。

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(lái)氫動(dòng)力汽車性能目標(biāo)的氫傳感器。圖片來(lái)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(wú)人能成功滿足未來(lái)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(méi)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(guò)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(wú)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(shuō)。

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(wú)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(lái)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(shuō)：“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(guò)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(lái)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(shuō)：“我們呼吸中的氫氣量可以為炎癥和食物不耐癥等問(wèn)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(guò)了科學(xué)出版物�！�

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(zhǎng)的光時(shí)發(fā)生。

光學(xué)納米傳感器包含數(shù)百萬(wàn)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(guò)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(méi)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(lái)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。