氫氣作為一種清潔能源，在促進(jìn)節(jié)能減排飞校、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)用前景旨袒。然而汁针，使用氫氣存在一個“痛點(diǎn)”。氫氣本身具有易燃易爆峦失、無色無味的性質(zhì)扇丛，這使得氫氣在泄漏時難以被察覺，累積后極易產(chǎn)生安全事故尉辑。更好地開發(fā)利用氫能帆精，快速、高靈敏的氫氣傳感技術(shù)必不可少隧魄。
近日卓练，傳感器領(lǐng)域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》上線了一篇重要論文，展現(xiàn)了氫氣傳感技術(shù)的新進(jìn)展购啄。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作基礎(chǔ)上襟企，與南開大學(xué)教授楊大馳團(tuán)隊(duì)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)合狮含，提出并研制了一種具有秒級響應(yīng)顽悼、高靈敏和低檢測限的新型聲表面波氫氣傳感器。
目前甸持，典型氫氣傳感技術(shù)運(yùn)用了催化孝仅、熱導(dǎo)、電化學(xué)珊娩、電阻式及光學(xué)等方法逊参。王文介紹道，這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)晕财。催化法傳感器可穩(wěn)定并快速檢測濃度在4%以內(nèi)的氫氣洪铣，但對可燃性氣體的選擇性較差，易受抑制劑影響姿味，且需較高的工作溫度学和，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(dǎo)式傳感器可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為快速(約在20秒內(nèi))的氫氣傳感掘写，但傳感精度不高袋滔，對高熱導(dǎo)率氣體，例如氦陡花、甲烷、一氧化碳等氣體抒寂，會造成交叉敏感结啼，也難以實(shí)現(xiàn)對1%以下濃度氫氣的檢測掠剑。電化學(xué)傳感器可以在常溫下工作，且靈敏度較高郊愧，但響應(yīng)速度較慢(約在70秒內(nèi))朴译，使用壽命也較短。而電阻式傳感器雖然能實(shí)現(xiàn)秒級快速氫傳感属铁，但一般需高溫工作環(huán)境(300攝氏度至800攝氏度)眠寿，且選擇性差、易中毒焦蘑。光學(xué)傳感器的優(yōu)勢在于傳感器件抗電磁干擾強(qiáng)盯拱，較安全，且靈敏度和測量精度高例嘱，能夠達(dá)到實(shí)時響應(yīng)狡逢。但是傳感器體積較大，整體系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高拼卵。
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(dǎo)要求奢浑。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(fù)速度期望在1秒內(nèi)窑肾，量程要求在0.1—10vol%鹤叹。而現(xiàn)有的氫氣傳感器難以達(dá)到該要求。
“目前玛纹，氫傳感技術(shù)在響應(yīng)速度父历、使用量程及安全性等方面均難以滿足氫泄漏監(jiān)測的實(shí)用需求，新的氫傳感技術(shù)與方法亟待發(fā)展暑苍。”王文說由颗。實(shí)際上，聲波氣敏技術(shù)作為聲學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向越稻，王文和同事們對其前沿動態(tài)一點(diǎn)也不陌生坛铭。他和同事們一直深耕于此，在特異性氣敏材料響應(yīng)機(jī)制键瓢、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(jìn)展秤歼。
為了滿足氫能發(fā)展的實(shí)用需求，研發(fā)更靈敏的氫氣傳感器订骂，王文及其課題組加快了攻關(guān)步伐射桅。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(xué)楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)。雙方一拍即合膜钓。“自2016年起嗽交，我們就開始和楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)合作，開展新型聲表面波氫氣傳感器研究。”王文表示夫壁，中國科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在國內(nèi)處于優(yōu)勢地位拾枣，南開大學(xué)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)合盒让，探索出快速氫傳感新方法梅肤，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)與高靈敏度邑茄。”王文解釋道姨蝴，聲表面波技術(shù)本身對表面負(fù)載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點(diǎn)，將之與特異選擇性的氫敏材料相結(jié)合肺缕，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左医，即可實(shí)現(xiàn)對氫氣的快速高靈敏檢測。“此外搓谆，聲表面波氫氣傳感器還具備良好的重復(fù)性與選擇性弯棠，以及小體積、低成本的技術(shù)特點(diǎn)巧鉴。”王文說笋据。
盡管思路和目標(biāo)十分清晰，在研究過程中贵埋，王文及其課題組還是遇到了難題下碗。“我們面臨兩個技術(shù)難點(diǎn)，一個是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機(jī)制及設(shè)計方法举影，另一個是高性能的聲表面波氫敏元件設(shè)計與
制備僵棍。”王文告訴記者，他們通過討論和各種實(shí)驗(yàn)板散，解決了難題癞屹。例如，通過探索鈀基材料及納米調(diào)控機(jī)制愤芝，確定了納米線制備方法;建立分析方法嫁料，對傳感器功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)最終成功研制出新型聲表面波氫氣傳感器樣機(jī)昆淡。王文高興地表示：“樣機(jī)測試結(jié)果很好锰瘸，驗(yàn)證了最初的設(shè)計思想。新型聲表面波氫氣傳感器實(shí)現(xiàn)了對氫氣檢測的快速響應(yīng)昂灵、高靈敏度及低檢測限避凝。”
作為一種新興能源載體和化工原料，氫氣具有來源廣泛眨补、清潔環(huán)保管削、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)倒脓，與太陽能、風(fēng)能等被稱為九大新能源含思，并被譽(yù)為最具發(fā)展前景的二次能源把还。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前茸俭，已有北京、河北安皱、四川调鬓、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(shí)施方案(2021—2025年)》酌伊，2025年前尺动，京津冀區(qū)域累計實(shí)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200萬噸吏辫。
氫能在電子工業(yè)拨喝、汽車業(yè)、冶金工業(yè)劳威、石油化工故厕、浮法玻璃、精細(xì)有機(jī)合成鸯式、航空航天萧揩、食品加工等方面都有廣泛應(yīng)用，作為一種綠色能源用印，它的應(yīng)用程度在不斷深化泊鹿。未來，氫氣傳感器的市場需求也將急劇增加做鸽。近年來蒙棱，氫氣傳感器得到了飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了諸多如電化學(xué)范咨、電學(xué)式及光學(xué)式等不同技術(shù)原理的商用氫氣傳感器故觅。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(shí)際應(yīng)用的需求湖蜕。聲表面波氫氣傳感器引起了很多科研人員的興趣逻卖。”王文表示，不少研究聚焦氫敏材料設(shè)計昭抒，取得了不錯的試驗(yàn)效果评也。隨著碳達(dá)峰碳中和工作深入推進(jìn)，未來灭返，高靈敏氫氣傳感器將“大顯身手”盗迟。
王文對新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景很有信心坤邪。“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、高靈敏罚缕、低功耗艇纺、小體積與低成本等特點(diǎn)，一旦完成工程化邮弹，在氫能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景黔衡。”
