Verdens hurtigste brintsensor kunne bane vejen for ren brintenergi

Brint er en ren og vedvarende energibærer, der kan drive køretøjer, med vand som eneste emission. Desværre, brintgas er meget brandfarlig, når den blandes med luft, så der er brug for meget effektive og effektive sensorer. Nu, forskere fra Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, præsentere de første brintsensorer nogensinde, der opfylder de fremtidige præstationsmål til brug i brintdrevne køretøjer.

Forskernes banebrydende resultater blev for nylig offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Naturmaterialer . Opdagelsen er en optisk nanosensor indkapslet i et plastmateriale. Sensoren arbejder ud fra et optisk fænomen – et plasmon – som opstår, når metalnanopartikler belyses og fanger synligt lys. Sensoren skifter simpelthen farve, når mængden af ​​brint i miljøet ændres.

Plastikken omkring den lille sensor er ikke kun til beskyttelse, men fungerer som en nøglekomponent. Det øger sensorens responstid ved at accelerere optagelsen af ​​brintgasmolekylerne i metalpartiklerne, hvor de kan detekteres. På samme tid, plastikken fungerer som en effektiv barriere for miljøet, forhindrer andre molekyler i at komme ind og deaktiverer sensoren. Sensoren kan derfor arbejde både meget effektivt og uforstyrret, gør det i stand til at opfylde de strenge krav fra bilindustrien – at være i stand til at detektere 0,1 procent brint i luften på mindre end et sekund.

"Vi har ikke kun udviklet verdens hurtigste brintsensor, men også en sensor, der er stabil over tid og ikke deaktiverer. I modsætning til nutidens brintsensorer, vores løsning behøver ikke at blive kalibreret så ofte, da det er beskyttet af plastik, " siger Ferry Nugroho, en forsker ved Institut for Fysik på Chalmers.

Det var i hans tid som ph.d. studerende, at Ferry Nugroho og hans vejleder Christoph Langhammer indså, at de var på vej til noget stort. Efter at have læst en videnskabelig artikel om, at ingen endnu havde haft held med at opnå de strenge krav til responstid, der stilles til brintsensorer til fremtidige brintbiler, de testede deres egen sensor. De indså, at de kun var et sekund fra målet – uden selv at forsøge at optimere det. Plasten, oprindeligt primært tænkt som en barriere, gjorde arbejdet bedre, end de kunne have forestillet sig, ved også at gøre sensoren hurtigere. Opdagelsen førte til en intens periode med eksperimentelt og teoretisk arbejde.

"I den situation der var ingen stopper os. Vi ønskede at finde den ultimative kombination af nanopartikler og plastik, forstå, hvordan de arbejdede sammen, og hvad der gjorde det så hurtigt. Vores hårde arbejde gav resultater. Inden for få måneder, vi opnåede den nødvendige responstid samt den grundlæggende teoretiske forståelse af, hvad der letter det, " siger Ferry Nugroho.

At opdage brint er udfordrende på mange måder. Gassen er usynlig og lugtfri, men flygtig og ekstremt brandfarlig. Det kræver kun fire procent brint i luften at producere iltbrintgas, nogle gange kendt som knallgas, som antændes ved den mindste gnist. For at brintbiler og fremtidens tilhørende infrastruktur kan være tilstrækkelig sikker, det skal derfor være muligt at detektere ekstremt små mængder brint i luften. Sensorerne skal være hurtige nok til, at lækager hurtigt kan opdages, før der opstår brand.

"Det føles fantastisk at præsentere en sensor, der forhåbentlig kan være en del af et stort gennembrud for brintdrevne køretøjer. Den interesse, vi ser i brændselscelleindustrien, er inspirerende, siger Christoph Langhammer, Professor ved Chalmers Fysisk Institut.

Selvom målet primært er at bruge brint som energibærer, sensoren giver også andre muligheder. Der er brug for højeffektive brintsensorer i elnetværksindustrien, den kemiske og nukleare industri, og kan også hjælpe med at forbedre den medicinske diagnostik.

"Mængden af ​​brintgas i vores ånde kan give svar på, for eksempel, inflammationer og fødevareintolerancer. Vi håber, at vores resultater kan bruges på bred front. Dette er så meget mere end en videnskabelig publikation, siger Christoph Langhammer.

I det lange løb, håbet er, at sensoren kan seriefremstilles på en effektiv måde, for eksempel ved hjælp af 3-D printerteknologi.

Fakta:Verdens hurtigste brintsensor

• Den Chalmers-udviklede sensor er baseret på et optisk fænomen – et plasmon – som opstår, når metalnanopartikler belyses og fanger lys af en bestemt bølgelængde.
• Den optiske nanosensor indeholder millioner af metalnanopartikler af en palladium-guldlegering, et materiale, som er kendt for sin svampelignende evne til at optage store mængder brint. Plasmoneffekten får så sensoren til at skifte farve, når mængden af ​​brint i miljøet ændres.
• Plastikken omkring sensoren er ikke kun en beskyttelse, men øger også sensorens responstid ved at gøre det lettere for brintmolekyler at trænge hurtigere ind i metalpartiklerne og dermed detekteres hurtigere. På samme tid, plastikken fungerer som en effektiv barriere for miljøet, fordi ingen andre molekyler end brint kan nå nanopartiklerne, som forhindrer deaktivering.
• Effektiviteten af ​​sensoren betyder, at den kan opfylde de strenge præstationsmål, der er fastsat af bilindustrien for anvendelse i fremtidens brintbiler, ved at være i stand til at detektere 0,1 procent brint i luften på mindre end et sekund.
• Forskningen er finansieret af den svenske Fond för Strategisk Forskning, inden for rammerne af Plastic Plasmonics projektet.