Waterstof als een schone, hernieuwbaar alternatief voor fossiele brandstoffen maakt deel uit van een toekomst op het gebied van duurzame energie, en al heel veel hier. Echter, aanhoudende zorgen over ontvlambaarheid hebben het wijdverbreide gebruik van waterstof als energiebron voor elektrische voertuigen beperkt. Eerdere vorderingen hebben het risico geminimaliseerd, maar nieuw onderzoek van de Universiteit van Georgia plaatst dat risico nu in de achteruitkijkspiegel.

Waterstofvoertuigen kunnen veel sneller tanken en verder gaan zonder te tanken dan de huidige elektrische voertuigen, die batterijvoeding gebruiken. Maar een van de laatste hindernissen voor waterstofenergie is het veiligstellen van een veilige methode voor het opsporen van waterstoflekken.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie documenten een goedkope, vonkvrij, optisch gebaseerde waterstofsensor die gevoeliger en sneller is dan eerdere modellen.

"Direct, de meeste commerciële waterstofsensoren detecteren de verandering van een elektronisch signaal in actieve materialen bij interactie met waterstofgas, die mogelijk kan leiden tot waterstofgasontsteking door elektrische vonken, " zei Tho Nguyen, universitair hoofddocent natuurkunde aan het Franklin College of Arts and Sciences, een co-hoofdonderzoeker op het project. "Onze vonkvrije optische waterstofsensoren detecteren de aanwezigheid van waterstof zonder elektronica, waardoor het proces veel veiliger wordt."

Niet alleen voor auto's

Waterstofenergie kent veel meer toepassingen dan het aandrijven van elektrische voertuigen, en ontvlambaarheidsbeperkende technologieën zijn van cruciaal belang. Robuuste sensoren voor waterstoflekdetectie en concentratiecontrole zijn belangrijk in alle stadia van de waterstofeconomie, inclusief productie, verdeling, opslag en gebruik bij de verwerking en productie van aardolie, kunstmest, metallurgische toepassingen, elektronica, Milieuwetenschappen, en op gezondheids- en veiligheidsgerelateerde gebieden.

De drie belangrijkste problemen in verband met waterstofsensoren zijn responstijd, gevoeligheid, en kosten. De huidige mainstream-technologie voor H2-optische sensoren vereist een dure monochromator om een ​​spectrum vast te leggen, gevolgd door het analyseren van een spectrale verschuivingsvergelijking.

"Met onze op intensiteit gebaseerde optische nanosensoren, we gaan van detectie van waterstof bij ongeveer 100 delen per miljoen naar 2 delen per miljoen, voor een paar dollar voor een sensorchip, " zei Tho. "Onze responstijd van 0,8 seconden is 20% sneller dan het beste beschikbare optische apparaat dat momenteel in de literatuur wordt vermeld."

Hoe het werkt

Het nieuwe optische apparaat is gebaseerd op de nanofabricage van een nanosfeersjabloon bedekt met een laag van een palladium-kobaltlegering. Eventueel aanwezige waterstof wordt snel opgenomen, vervolgens gedetecteerd door een LED. Een siliciumdetector registreert de intensiteit van het doorgelaten licht.

"Alle metalen hebben de neiging om waterstof te absorberen, maar door de geschikte elementen met een juiste balans in de legering te vinden en de nanostructuur te ontwerpen om subtiele veranderingen in lichttransmissie na waterstofabsorptie te versterken, we hebben een nieuwe maatstaf kunnen bepalen voor hoe snel en gevoelig deze sensoren kunnen zijn, " zei George Larsen, een senior wetenschapper bij Savannah River National Laboratory en co-hoofdonderzoeker van het project. "En dat alles terwijl het sensorplatform zo eenvoudig mogelijk blijft."