Onderzoekers van de TU Delft hebben een zeer gevoelige en veelzijdige waterstofsensor ontwikkeld die werkt bij kamertemperatuur. De sensor is gemaakt van een dunne laag van een materiaal dat wolfraamtrioxide wordt genoemd.

Waterstof heeft de potentie om in de nabije toekomst fossiele brandstoffen te vervangen als belangrijkste energiedrager. Het heeft de hoogste energie per massa van alle brandstoffen en kan duurzaam worden geproduceerd. Echter, het is ook ontvlambaar, het maken van sensoren die het kunnen detecteren een absolute noodzaak voor de transitie naar een waterstofeconomie. Er bestaan ​​al verschillende soorten waterstofsensoren, maar de meeste van deze sensoren hebben hoge temperaturen nodig om te kunnen functioneren. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een sensor ontwikkeld die werkt bij kamertemperatuur.

Een kristallijn materiaal

De nieuwe sensor is gemaakt van een materiaal dat wolfraamtrioxide wordt genoemd. Een van de eigenschappen van wolfraamtrioxide is dat de kristalroosterstructuur veel open ruimtes bevat. Als resultaat, het materiaal kan gemakkelijk worden gedoteerd, dat is de gewoonte om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen door andere atomen te introduceren.

"Op zichzelf, wolfraamtrioxide is een isolator, " zei Giordano Mattoni, de hoofdauteur. "Maar als je het verdooft, je voegt elektronische ladingen toe waardoor het materiaal een andere kleur krijgt en verandert het ook geleidelijk in een metaal. We wilden proberen dunne films van wolfraamtrioxide te dopen met waterstofgas om te zien of het als sensor zou kunnen functioneren."

Het blijkt dat het kan. De onderzoekers maakten eerst dunne vellen wolfraamtrioxide met behulp van een methode die pulsed laserdepositie wordt genoemd. Op die manier, ze waren in staat om enkele lagen van het materiaal één voor één op een substraat af te zetten. "Met deze methode we hebben platen wolfraamtrioxide gemaakt met een dikte van slechts negen nanometer, ' zei Mattoni.

Werking op kamertemperatuur

De onderzoekers legden vervolgens platinadruppels op de dunne lagen wolfraamtrioxide. Het is algemeen bekend dat platina functioneert als een katalysator die de waterstofmoleculen in afzonderlijke waterstofatomen scheidt. Deze atomen, observeerden de onderzoekers, zou dan de roosterstructuur van wolfraamtrioxide kunnen binnendringen, langzaam veranderen van een isolator in een metaal. "Dit betekent dat, door de weerstand van het materiaal te meten, kunnen we de hoeveelheid waterstof in het milieu bepalen, ’ legde Mattoni uit.

Wat deze nieuwe waterstofsensor onderscheidt van de meeste andere sensoren, is dat hij bij kamertemperatuur kan worden gebruikt. "Het is ook veel gevoeliger dan in de handel verkrijgbare producten en kan binnen enkele minuten worden hergebruikt, " voegde Mattoni eraan toe. "Ook, door de temperatuur van de sensor te verhogen of te verlagen, het gevoeligheidsbereik kan worden afgestemd op verschillende toepassingen."

Eindelijk, het dunnefilmkarakter en de compatibiliteit met de huidige halfgeleidertechnologieën zorgen ervoor dat de sensor kan worden opgeschaald naar massaproductie. Mattoni en de TU Delft hebben een octrooiaanvraag ingediend voor deze nieuwe detectietechnologie.