聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于快速響應與高靈敏度。聲表面波技術(shù)本身對表面負載表現出極高的靈敏度和快速響應特點(diǎn)。將之與特異選擇性的氫敏材料相結合，利用傳感過(guò)程中的氣體吸附效應對聲表面波傳播的作用，即可實(shí)現對氫氣的快速高靈敏檢測。

　　氫氣作為一種清潔能源，在促進(jìn)節能減排、調整能源產(chǎn)業(yè)結構、應對全球氣候變化等方面具有廣闊應用前景。

　　然而，使用氫氣存在一個(gè)“痛點(diǎn)”。氫氣本身具有易燃易爆、無(wú)色無(wú)味的性質(zhì)，這使得氫氣在泄漏時(shí)難以被察覺(jué)，累積后極易產(chǎn)生安全事故。更好地開(kāi)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《Sensors and Actuators B:Chemical》上線(xiàn)了一篇重要論文，展現了氫氣傳感技術(shù)的新進(jìn)展。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作基礎上，與南開(kāi)大學(xué)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(xiàn)氫敏材料相結合，提出并研制了一種具有秒級響應、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(mǎn)足實(shí)用需求

　　2019年仲夏之際，全球在20天內發(fā)生了3次氫氣相關(guān)的爆炸事件。韓國一個(gè)氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸事故；美國一處化工廠(chǎng)儲氫罐和氫氣運輸拖車(chē)發(fā)生爆炸和火災；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(diǎn)。

　　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%范圍內極易發(fā)生爆炸，由氫氣泄漏導致的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，使用氫能時(shí)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，氫氣傳感器也就成為氫能應用中必不可少的關(guān)鍵部件?！?/p>

　　目前，典型氫氣傳感技術(shù)運用了催化、熱導、電化學(xué)、電阻式及光學(xué)等方法。王文介紹道，這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　催化法傳感器可穩定并快速檢測濃度在4%以?xún)鹊臍錃?，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(mǎn)足氫能應用領(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實(shí)現較為快速（約在20秒內）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(huì )造成交叉敏感，也難以實(shí)現對1%以下濃度氫氣的檢測。

　　電化學(xué)傳感器可以在常溫下工作，且靈敏度較高，但響應速度較慢（約在70秒內），使用壽命也較短。而電阻式傳感器雖然能實(shí)現秒級快速氫傳感，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(xué)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(shí)時(shí)響應。但是傳感器體積較大，整體系統復雜且成本較高。

　　美國能源部2007年便制定了汽車(chē)以及固定式電力系統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——響應速度與恢復速度期望在1秒內，量程要求在0.1—10vol%。而現有的氫氣傳感器難以達到該要求。

　　“目前，氫傳感技術(shù)在響應速度、使用量程及安全性等方面均難以滿(mǎn)足氫泄漏監測的實(shí)用需求，新的氫傳感技術(shù)與方法亟待發(fā)展?！蓖跷恼f(shuō)。

　　打造快速響應與高靈敏度的新型傳感器

　　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，王文和同事們對其前沿動(dòng)態(tài)一點(diǎn)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機制、多效應耦合的聲表面波氣敏效應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。

　　為了滿(mǎn)足氫能發(fā)展的實(shí)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(zhù)較為深入研究的南開(kāi)大學(xué)楊大馳教授的團隊。

　　雙方一拍即合?！白?span lang="en-US">2016年起，我們就開(kāi)始和楊大馳教授的團隊合作，開(kāi)展新型聲表面波氫氣傳感器研究?！蓖跷谋硎?，中國科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在國內處于優(yōu)勢地位，南開(kāi)大學(xué)則在氫敏材料研究方面有多年積累。雙方期望通過(guò)將聲表面波器件技術(shù)與鈀基納米材料（一種氫敏材料）結合，探索出快速氫傳感新方法，以解決現有氫傳感技術(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)勢在于快速響應與高靈敏度?！蓖跷慕忉尩?，聲表面波技術(shù)本身對表面負載表現出極高的靈敏度和快速響應特點(diǎn)，將之與特異選擇性的氫敏材料相結合，利用傳感過(guò)程中的氣體吸附效應對聲表面波傳播的作用，即可實(shí)現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(diǎn)?！蓖跷恼f(shuō)。

　　盡管思路和目標十分清晰，在研究過(guò)程中，王文及其課題組還是遇到了難題?！拔覀兠媾R兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一個(gè)是鈀基氫敏材料的響應機制及設計方法，另一個(gè)是高性能的聲表面波氫敏元件設計與制備?！?/p>

　　王文告訴記者，他們通過(guò)討論和各種實(shí)驗，解決了難題。例如，通過(guò)探索鈀基材料及納米調控機制，確定了納米線(xiàn)制備方法；建立分析方法，對傳感器功能結構進(jìn)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：“樣機測試結果很好，驗證了最初的設計思想。新型聲表面波氫氣傳感器實(shí)現了對氫氣檢測的快速響應、高靈敏度及低檢測限?！?/p>

　　在氫能領(lǐng)域應用前景廣泛

　　作為一種新興能源載體和化工原料，氫氣具有來(lái)源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，與太陽(yáng)能、風(fēng)能等被稱(chēng)為九大新能源，并被譽(yù)為最具發(fā)展前景的二次能源。

　　據不完全統計，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等超過(guò)30個(gè)地方陸續出臺了涉及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策及相關(guān)規劃。根據《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（2021—2025年）》，2025年前，京津冀區域累計實(shí)現氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規模1000億元以上，減少碳排放200萬(wàn)噸。

　　“氫能在電子工業(yè)、汽車(chē)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用，作為一種綠色能源，它的應用程度在不斷深化。未來(lái)，氫氣傳感器的市場(chǎng)需求也將急劇增加?！蓖跷恼f(shuō)。

　　近年來(lái)，氫氣傳感器得到了飛速發(fā)展，涌現了諸多如電化學(xué)、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。各國科研院所持續投入力量開(kāi)展氫氣傳感的新原理新技術(shù)研究，以期滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求。

　　“聲表面波氫氣傳感器引起了很多科研人員的興趣?！蓖跷谋硎?，不少研究聚焦氫敏材料設計，取得了不錯的試驗效果。

　　“但迄今為止，因為氫敏材料存在穩定性與可靠性方面的技術(shù)難題，還沒(méi)有出現商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器?！蓖跷恼f(shuō)。

　　不過(guò)，隨著(zhù)碳達峰碳中和工作深入推進(jìn)，未來(lái)，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用前景很有信心?！拌b于聲表面波氫氣傳感器具備現有技術(shù)難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體積與低成本等特點(diǎn)，一旦完成工程化，在氫能領(lǐng)域極具應用前景?！?/p>

　　作者：《科技日報》 實(shí)習記者 孫瑜

　　來(lái)源：《中國科學(xué)報》 (2022-2-23 第5版 成果)

　　報道鏈接：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2022-02/23/content_530728.htm?div=-1