圖1.光學(xué)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(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)例如測(cè)量由材料反射的光的量，可以確定氫壓力或氫濃度。圖片來(lái)源：TU Delft

在向完全可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)過(guò)渡中，氫扮演著越來(lái)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(lái)越多地用于可持續(xù)能源存儲(chǔ)，尤其是作為大型和重型車(chē)輛的燃料。有計(jì)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?xì)怏w，有時(shí)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(cè)出至關(guān)重要的少量氫氣。代爾夫特大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種非常適合該任務(wù)的材料。

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

光學(xué)氫傳感器沒(méi)有這些缺點(diǎn)。這種類(lèi)型的傳感器基于以下事實(shí)：某些材料在傳感器附近存在氫的瞬間吸收氫時(shí)，其光學(xué)特性就會(huì)發(fā)生變化。光學(xué)特性的這種變化例如可以通過(guò)考慮材料反射的光量來(lái)測(cè)量。這里的關(guān)鍵是找到一種傳感材料，當(dāng)傳感器附近的氫氣濃度增加時(shí)，該材料會(huì)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(cè)量相對(duì)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(lái)非常復(fù)雜。基于鉭和鈀的Delft傳感器沒(méi)有以下任何缺點(diǎn)：它能夠在室溫和高溫以及低濃度和高濃度下準(zhǔn)確檢測(cè)氫氣。

為了尋求用于光學(xué)氫傳感器的最佳傳感材料，代爾夫特大學(xué)的研究人員使用了多種先進(jìn)技術(shù)來(lái)表征材料。“除了進(jìn)行光學(xué)測(cè)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(shuō)�！巴ㄟ^(guò)這些測(cè)量，我們對(duì)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(shí)：材料的行為與制造極薄時(shí)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(diǎn)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?yàn)樗�可以測(cè)量至少七個(gè)數(shù)量級(jí)壓力以上的氫氣。這相當(dāng)于可以測(cè)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(duì)精度。這使該傳感器具有多種用途：例如可用于測(cè)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(gè)有用的方面是傳感材料的出色響應(yīng)速度：它對(duì)氫氣濃度的變化在不到一秒鐘的時(shí)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(shí)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(duì)團(tuán)隊(duì)本身來(lái)說(shuō)是一個(gè)驚喜：“我們?cè)��?jīng)認(rèn)為我們可以對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行一些改進(jìn)，但是事實(shí)證明，我們所有的有用特性都超出了我們最瘋狂的夢(mèng)想， ” Bernard Dam說(shuō)。

雄心勃勃的計(jì)劃

新傳感材料的專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)提交，國(guó)際知名雜志《先進(jìn)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(lái)有雄心勃勃的計(jì)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(jī)上使用。Herman Schreuders說(shuō)：“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(shí)驗(yàn)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。”