Forskere udvikler en alsidig brintsensor

Brint spiller en stadig vigtigere rolle i omstillingen til en fuldstændig bæredygtig økonomi. Det bliver allerede brugt i stor skala i industrien, men det bliver også brugt oftere til bæredygtig energilagring og som brændstof til især store og tunge køretøjer. Der er planer om at omdanne det eksisterende naturgasnet til et brintnet. Imidlertid, under visse omstændigheder, brint er en brændbar og nogle gange endda en eksplosiv gas, så det er vigtigt at spore de mindste brintlækager så hurtigt som muligt. Dette gør det billigt, pålidelige sensorer, der hurtigt kan registrere små mængder brint af vital betydning. Forskere ved TU Delft har nu udviklet et materiale, der er særdeles velegnet til denne opgave.

På nuværende tidspunkt detekteres brint normalt med relativt stort og dyrt udstyr, som ofte har brug for både ilt og elektricitet for at fungere ordentligt. Denne kombination af ilt og elektricitet kan være farlig i nærheden af ​​brint, gør sensorerne uegnede til mange anvendelser.

Optiske brintsensorer har ikke disse ulemper. Denne type sensor er baseret på, at nogle materialers optiske egenskaber ændrer sig, når de absorberer brint i det øjeblik, hvor brint er til stede i nærheden af ​​sensoren. Denne ændring i optiske egenskaber kan for eksempel måles ved at overveje mængden af ​​lys, der reflekteres af materialet. Nøglen her er at finde et følemateriale, der gradvist absorberer mere brint, efterhånden som koncentrationen af ​​brint i nærheden af ​​sensoren stiger.

De for tiden kendte sensormaterialer har alle deres begrænsninger. For eksempel, de kan enten måle relativt høje mængder brint, reagere langsomt, fungerer kun ved høje temperaturer (> 90 °C), eller de er meget komplicerede at lave. Delft sensoren, baseret på tantal og palladium, har ikke nogen af ​​disse ulemper:Den er i stand til nøjagtigt at detektere brint ved stuetemperatur såvel som ved højere temperaturer og både i lave og høje koncentrationer.

I deres søgen efter det bedste sensormateriale til en optisk brintsensor, Delft-forskerne brugte en lang række avancerede teknikker til at karakterisere materialerne. "Ud over optiske målinger, vi brugte røntgen- og neutronstråling produceret af vores egen forskningsreaktor i Delft for at få en bedre forståelse af materialerne, ", forklarer Lars Bannenberg. "Fra disse målinger får vi en dybere forståelse af materialerne, hvilket gør os i stand til at forbedre materialernes egenskaber. For eksempel, vi gør brug af, at materialer opfører sig bare lidt anderledes, end vi er vant til, når de er lavet ekstremt tynde. Den ultimative brintsensor vil således kun indeholde et tyndt lag af det opdagede materiale med en tykkelse på mindre end en tusindedel af et menneskehår."

Køkkenvægt

Det, der gør dette materiale specielt, er, at det kan måle brint over mindst syv størrelsesordener i tryk. Det kan sammenlignes med en køkkenvægt, der kan måle alt fra et par gram mel til vægten af ​​en elefant, og alle med samme relative nøjagtighed. Dette gør sensoren meget alsidig:den kan bruges til at måle de mindste brintlækager på en brinttankstation, for eksempel, og også at bestemme mængden af ​​brint i en brint brændselscelle.

Et andet nyttigt aspekt er sensormaterialets exceptionelle responshastighed:det reagerer på en ændring i koncentrationen af ​​brint inden for en brøkdel af et sekund, langt hurtigere end de fleste materialer, som ofte har responstider på flere titusinder af sekunder eller endda minutter. At et enkelt materiale kan alt dette var en overraskelse for holdet selv:"Vi havde troet, at vi kunne forbedre de nuværende materialer lidt, men at vores materiale skulle vise sig at have alle disse nyttige egenskaber gik ud over vores vildeste drømme, siger Bernard Dam.

Ambitiøse planer

Der er indsendt en patentansøgning på det nye sansemateriale, og det internationalt anerkendte tidsskrift Advanced Functional Materials har publiceret en artikel om opdagelsen. Der er ambitiøse planer for den nærmeste fremtid. For eksempel, forskerne vil også se, om materialet også kan bruges i sensorer, der er egnede til brug ved meget lave temperaturer (-50 °C), sådan at de også kan bruges i fly. "Udover dette, vi undersøger muligheden for at bygge en prototype sensor, der også fungerer uden for laboratoriet, " siger Herman Schreuders. "Desuden, vi vil se, om sensorerne kan bruges i brintbrændselsceller."