聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于快速響應(yīng)與高靈敏度。聲表面波技術(shù)本身對表面負載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點。將之與特異選擇性的氫敏材料相結(jié)合，利用傳感過程中的氣體吸附效應(yīng)對聲表面波傳播的作用，即可實現(xiàn)對氫氣的快速高靈敏檢測。
氫氣作為一種清潔能源，在促進節(jié)能減排、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、應(yīng)對全球氣候變化等方面具有廣闊應(yīng)用前景。
然而，使用氫氣存在一個“痛點”。氫氣本身具有易燃易爆、無色無味的性質(zhì)，這使得氫氣在泄漏時難以被察覺，累積后極易產(chǎn)生安全事故。更好地開發(fā)利用氫能，快速、高靈敏的氫氣傳感技術(shù)必不可少。
近日，傳感器領(lǐng)域的重要期刊上線了一篇重要論文，展現(xiàn)了氫氣傳感技術(shù)的新進展。中國科學院聲學研究所超聲學實驗室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作基礎(chǔ)上，與南開大學教授楊大馳團隊合作，將微納聲表面波器件技術(shù)與鈀鎳納米線氫敏材料相結(jié)合，提出并研制了一種具有秒級響應(yīng)、高靈敏和低檢測限的新型聲表面波氫氣傳感器。
目前氫傳感技術(shù)難以滿足實用需求
2019年仲夏之際，全球在20天內(nèi)發(fā)生了3次氫氣相關(guān)的爆炸事件。韓國一個氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸事故;美國一處化工廠儲氫罐和氫氣運輸拖車發(fā)生爆炸和火災(zāi);挪威首都奧斯陸郊外的一處加氫站發(fā)生爆炸。
如何安全利用氫氣這一綠色清潔能源，成為人們關(guān)注的焦點。
王文告訴科技日報記者：“氫氣易燃易爆。在空氣中氫氣濃度在4%—75%范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸，由氫氣泄漏導致的安全事故時有發(fā)生。因此，使用氫能時必須進行實時監(jiān)測，氫氣傳感器也就成為氫能應(yīng)用中必不可少的關(guān)鍵部件。”
目前，典型氫氣傳感技術(shù)運用了催化、熱導、電化學、電阻式及光學等方法。王文介紹道，這幾種方法各有優(yōu)缺點。
催化法傳感器可穩(wěn)定并快速檢測濃度在4%以內(nèi)的氫氣，但對可燃性氣體的選擇性較差，易受抑制劑影響，且需較高的工作溫度，難以滿足氫能應(yīng)用領(lǐng)域極高的安全與可靠性要求。
熱導式傳感器可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)較為快速(約在20秒內(nèi))的氫氣傳感，但傳感精度不高，對高熱導率氣體，例如氦、甲烷、一氧化碳等氣體，會造成交叉敏感，也難以實現(xiàn)對1%以下濃度氫氣的檢測。
電化學傳感器可以在常溫下工作，且靈敏度較高，但響應(yīng)速度較慢(約在70秒內(nèi))，使用壽命也較短。而電阻式傳感器雖然能實現(xiàn)秒級快速氫傳感，但一般需高溫工作環(huán)境(300攝氏度至800攝氏度)，且選擇性差、易中毒。
光學傳感器的優(yōu)勢在于傳感器件抗電磁干擾強，較安全，且靈敏度和測量精度高，能夠達到實時響應(yīng)。但是傳感器體積較大，整體系統(tǒng)復雜且成本較高。
美國能源部2007年便制定了汽車以及固定式電力系統(tǒng)中氫氣檢測的性能指導要求。其中，最為關(guān)鍵的一條指明了對氫氣傳感器的性能要求——響應(yīng)速度與恢復速度期望在1秒內(nèi)，量程要求在0.1—10vol%。而現(xiàn)有的氫氣傳感器難以達到該要求。
“目前，氫傳感技術(shù)在響應(yīng)速度、使用量程及安全性等方面均難以滿足氫泄漏監(jiān)測的實用需求，新的氫傳感技術(shù)與方法亟待發(fā)展。”王文說。
打造快速響應(yīng)與高靈敏度的新型傳感器
實際上，聲波氣敏技術(shù)作為聲學領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，王文和同事們對其前沿動態(tài)一點也不陌生。他和同事們一直深耕于此，在特異性氣敏材料響應(yīng)機制、多效應(yīng)耦合的聲表面波氣敏效應(yīng)及高性能聲表面波氣敏元件優(yōu)化等方面的研究取得重要進展。
為了滿足氫能發(fā)展的實用需求，研發(fā)更靈敏的氫氣傳感器，王文及其課題組加快了攻關(guān)步伐。他們找到了在氫敏材料方面有著較為深入研究的南開大學楊大馳教授的團隊。
雙方一拍即合。“自2016年起，我們就開始和楊大馳教授的團隊合作，開展新型聲表面波氫氣傳感器研究。”王文表示，中國科學院聲學所的聲表面波技術(shù)研究在國內(nèi)處于優(yōu)勢地位，南開大學則在氫敏材料研究方面有多年積累。雙方期望通過將聲表面波器件技術(shù)與鈀基納米材料(一種氫敏材料)結(jié)合，探索出快速氫傳感新方法，以解決現(xiàn)有氫傳感技術(shù)所面臨的技術(shù)難題。
“聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于快速響應(yīng)與高靈敏度。”王文解釋道，聲表面波技術(shù)本身對表面負載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點，將之與特異選擇性的氫敏材料相結(jié)合，利用傳感過程中的氣體吸附效應(yīng)對聲表面波傳播的作用，即可實現(xiàn)對氫氣的快速高靈敏檢測。
“此外，聲表面波氫氣傳感器還具備良好的重復性與選擇性，以及小體積、低成本的技術(shù)特點。”王文說。
盡管思路和目標十分清晰，在研究過程中，王文及其課題組還是遇到了難題。“我們面臨兩個技術(shù)難點，一個是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機制及設(shè)計方法，另一個是高性能的聲表面波氫敏元件設(shè)計與制備。”
王文告訴記者，他們通過討論和各種實驗，解決了難題。例如，通過探索鈀基材料及納米調(diào)控機制，確定了納米線制備方法;建立分析方法，對傳感器功能結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。
團隊最終成功研制出新型聲表面波氫氣傳感器樣機。
王文高興地表示：“樣機測試結(jié)果很好，驗證了最初的設(shè)計思想。新型聲表面波氫氣傳感器實現(xiàn)了對氫氣檢測的快速響應(yīng)、高靈敏度及低檢測限。”
在氫能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛
作為一種新興能源載體和化工原料，氫氣具有來源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點，與太陽能、風能等被稱為九大新能源，并被譽為最具發(fā)展前景的二次能源。
據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等超過30個地方陸續(xù)出臺了涉及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策及相關(guān)規(guī)劃。根據(jù)《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案(2021—2025年)》，2025年前，京津冀區(qū)域累計實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模1000億元以上，減少碳排放200萬噸。
“氫能在電子工業(yè)、汽車業(yè)、冶金工業(yè)、石油化工、浮法玻璃、精細有機合成、航空航天、食品加工等方面都有廣泛應(yīng)用，作為一種綠色能源，它的應(yīng)用程度在不斷深化。未來，氫氣傳感器的市場需求也將急劇增加。”王文說。
近年來，氫氣傳感器得到了飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了諸多如電化學、電學式及光學式等不同技術(shù)原理的商用氫氣傳感器。各國科研院所持續(xù)投入力量開展氫氣傳感的新原理新技術(shù)研究，以期滿足實際應(yīng)用的需求。
“聲表面波氫氣傳感器引起了很多科研人員的興趣。”王文表示，不少研究聚焦氫敏材料設(shè)計，取得了不錯的試驗效果。
“但迄今為止，因為氫敏材料存在穩(wěn)定性與可靠性方面的技術(shù)難題，還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器。”王文說。
不過，隨著碳達峰碳中和工作深入推進，未來，高靈敏氫氣傳感器將“大顯身手”。
王文對新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景很有信心。“鑒于聲表面波氫氣傳感器具備現(xiàn)有技術(shù)難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體積與低成本等特點，一旦完成工程化，在氫能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。”(記者 孫 瑜)
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