氫能利用再添“安全衛士”新型傳感器實現氫氣秒級響應

孫喻

氫氣作為一種清潔能源，在促進節能減排、調整能源產業結構、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“痛點”。氫氣本身具有易燃易爆、無色無味的性質，這使得氫氣在泄漏時難以被察覺，累積后極易產生安全事故。更好地開發利用氫能，快速、高靈敏的氫氣傳感技術必不可少。

近日，傳感器領域的重要期刊《Sensors and Actuators B：Chemical》上線了一篇重要論文，展現了氫氣傳感技術的新進展。中國科學院聲學研究所超聲學實驗室研究員王文帶領課題組在前期工作基礎上，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與鈀鎳納米線氫敏材料相結合，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。

2019年仲夏之際，全球在20天內發生了3次氫氣相關的爆炸事件。韓國一個氫燃料儲存罐發生爆炸事故;美國一處化工廠儲氫罐和氫氣運輸拖車發生爆炸和火災;挪威首都奧斯陸郊外的一處加氫站發生爆炸。

如何安全利用氫氣這一綠色清潔能源，成為人們關注的焦點。

王文說：“氫氣易燃易爆。在空氣中氫氣濃度在4%～75%范圍內極易發生爆炸，由氫氣泄漏導致的安全事故時有發生。因此，使用氫能時必須進行實時監測，氫氣傳感器也就成為氫能應用中必不可少的關鍵部件。”

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

催化法傳感器可穩定并快速檢測濃度在4%以內的氫氣，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，難以滿足氫能應用領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，會造成交叉敏感，也難以實現對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現秒級快速氫傳感，但一般需高溫工作環境（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。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，氫傳感技術在響應速度、使用量程及安全性等方面均難以滿足氫泄漏監測的實用需求，新的氫傳感技術與方法亟待發展?！蓖跷恼f。

實際上，聲波氣敏技術作為聲學領域的重要發展方向，王文和同事們對其前沿動態一點也不陌生。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化等方面的研究取得重要進展。

為了滿足氫能發展的實用需求，研發更靈敏的氫氣傳感器，王文及其課題組加快了攻關步伐。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?！蓖跷谋硎?，中國科學院聲學所的聲表面波技術研究在國內處于優勢地位，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所面臨的技術難題。

“聲表面波氫氣傳感器的技術優勢在于快速響應與高靈敏度。”王文解釋道，聲表面波技術本身對表面負載表現出極高的靈敏度和快速響應特點，將之與特異選擇性的氫敏材料相結合，利用傳感過程中的氣體吸附效應對聲表面波傳播的作用，即可實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、低成本的技術特點?！蓖跷恼f。

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?！拔覀兠媾R兩個技術難點，一個是鈀基氫敏材料的響應機制及設計方法，另一個是高性能的聲表面波氫敏元件設計與制備。”

王文說，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，對傳感器功能結構進行優化。

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現了對氫氣檢測的快速響應、高靈敏度及低檢測限?！?/p>

作為一種新興能源載體和化工原料，氫氣具有來源廣泛、清潔環保、可循環利用等一系列優點，與太陽能、風能等被稱為九大新能源，并被譽為最具發展前景的二次能源。

據不完全統計，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等超過30個地方陸續出臺了涉及氫能產業發展的政策及相關規劃。根據《北京市氫能產業發展實施方案（2021—2025年）》，2025年前，京津冀區域累計實現氫能產業鏈產業規模1000億元以上，減少碳排放200萬噸。

“氫能在電子工業、汽車業、冶金工業、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，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展，涌現了諸多如電化學、電學式及光學式等不同技術原理的商用氫氣傳感器。各國科研院所持續投入力量開展氫氣傳感的新原理新技術研究，以期滿足實際應用的需求。

“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難題，還沒有出現商業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用前景很有信心。“鑒于聲表面波氫氣傳感器具備現有技術難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體積與低成本等特點，一旦完成工程化，在氫能領域極具應用前景。”

“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難題，還沒有出現商業化的聲表面波氫氣傳感器?！蓖跷恼f。

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用前景很有信心。“鑒于聲表面波氫氣傳感器具備現有技術難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體積與低成本等特點，一旦完成工程化，在氫能領域極具應用前景。”