Waterstof speelt een steeds belangrijkere rol in de transitie naar een volledig duurzame economie. Het wordt al op grote schaal gebruikt in de industrie, maar het wordt ook steeds vaker gebruikt voor duurzame energieopslag en vooral als brandstof voor grote en zware voertuigen. Er zijn plannen om het bestaande aardgasnet om te bouwen naar een waterstofnet. Echter, onder bepaalde omstandigheden, waterstof is een brandbaar en soms zelfs explosief gas, daarom is het zaak om de kleinste waterstoflekken zo snel mogelijk op te sporen. Dit maakt goedkope, betrouwbare sensoren die snel kleine hoeveelheden waterstof van levensbelang kunnen detecteren. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een materiaal ontwikkeld dat hiervoor uitermate geschikt is.

Momenteel wordt waterstof meestal gedetecteerd met relatief grote en dure apparatuur, die vaak zowel zuurstof als elektriciteit nodig heeft om goed te kunnen functioneren. Deze combinatie van zuurstof en elektriciteit kan gevaarlijk zijn in de buurt van waterstof, waardoor de sensoren voor veel toepassingen ongeschikt zijn.

Optische waterstofsensoren hebben deze nadelen niet. Dit type sensor is gebaseerd op het feit dat de optische eigenschappen van sommige materialen veranderen wanneer ze waterstof opnemen op het moment dat waterstof in de buurt van de sensor aanwezig is. Deze verandering in optische eigenschappen kan bijvoorbeeld worden gemeten door te kijken naar de hoeveelheid licht die door het materiaal wordt gereflecteerd. De sleutel hier is om een ​​detectiemateriaal te vinden dat geleidelijk meer waterstof absorbeert naarmate de waterstofconcentratie in de nabijheid van de sensor toeneemt.

De momenteel bekende detectiematerialen hebben allemaal hun beperkingen. Bijvoorbeeld, ze kunnen ofwel relatief grote hoeveelheden waterstof meten, traag reageren, werken alleen bij hoge temperaturen (> 90 °C), of ze zijn erg ingewikkeld om te maken. De Delftse sensor, op basis van tantaal en palladium, heeft geen van deze nadelen:het is in staat om waterstof nauwkeurig te detecteren bij kamertemperatuur, maar ook bij hogere temperaturen en zowel in lage als hoge concentraties.

In hun zoektocht naar het beste meetmateriaal voor een optische waterstofsensor, de Delftse onderzoekers gebruikten een breed scala aan geavanceerde technieken om de materialen te karakteriseren. "Naast optische metingen, we gebruikten röntgen- en neutronenstraling van onze eigen onderzoeksreactor in Delft om de materialen beter te begrijpen, " legt Lars Bannenberg uit. "Door deze metingen krijgen we een dieper inzicht in de materialen, waardoor we de eigenschappen van de materialen kunnen verbeteren. Bijvoorbeeld, we maken gebruik van het feit dat materialen zich net iets anders gedragen dan we gewend zijn als ze extreem dun worden gemaakt. De ultieme waterstofsensor zal dus slechts een dun laagje van het ontdekte materiaal bevatten met een dikte van minder dan een duizendste van een mensenhaar."

Keukenweegschaal

Wat dit materiaal speciaal maakt, is dat het waterstof kan meten over ten minste zeven ordes van grootte in druk. Dat is vergelijkbaar met een keukenweegschaal die alles kan meten van een paar gram bloem tot het gewicht van een olifant, en allemaal met dezelfde relatieve nauwkeurigheid. Dit maakt de sensor zeer veelzijdig:hij kan worden gebruikt om de kleinste waterstoflekken bij een waterstoftankstation te meten, bijvoorbeeld, en ook om de hoeveelheid waterstof in een waterstofbrandstofcel te bepalen.

Een ander nuttig aspect is de uitzonderlijke reactiesnelheid van het meetmateriaal:het reageert binnen een fractie van een seconde op een verandering in de waterstofconcentratie, veel sneller dan de meeste materialen, die vaak een responstijd hebben van enkele tientallen seconden of zelfs minuten. Dat een enkel materiaal dit allemaal kan, was een verrassing voor het team zelf:"We hadden gedacht dat we de huidige materialen een beetje konden verbeteren, maar dat ons materiaal al deze nuttige eigenschappen zou blijken te hebben, ging onze stoutste dromen te boven, ’ zegt Bernard Dam.

Ambitieuze plannen

Er is een patentaanvraag ingediend voor het nieuwe sensing-materiaal en het internationaal gerenommeerde tijdschrift Advanced Functional Materials heeft een artikel over de ontdekking gepubliceerd. Voor de nabije toekomst zijn er ambitieuze plannen. Bijvoorbeeld, de onderzoekers willen ook kijken of het materiaal ook toepasbaar is in sensoren die geschikt zijn voor gebruik bij zeer lage temperaturen (-50 °C), zodat ze ook in vliegtuigen kunnen worden gebruikt. "Naast dit, we onderzoeken de mogelijkheid om een ​​prototype sensor te bouwen die ook buiten het lab werkt, ", zegt Herman Schreuders. "Bovendien we willen kijken of de sensoren kunnen worden gebruikt in waterstofbrandstofcellen."