Waterstof is een schone en hernieuwbare energiedrager die voertuigen kan aandrijven, met water als enige emissie. Helaas, waterstofgas is licht ontvlambaar wanneer het wordt gemengd met lucht, er zijn dus zeer efficiënte en effectieve sensoren nodig. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, presenteren de eerste waterstofsensoren ooit die voldoen aan de toekomstige prestatiedoelstellingen voor gebruik in voertuigen op waterstof.

De baanbrekende resultaten van de onderzoekers zijn onlangs gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuurmaterialen . De ontdekking is een optische nanosensor ingekapseld in een plastic materiaal. De sensor werkt op basis van een optisch fenomeen – een plasmon – dat optreedt wanneer metalen nanodeeltjes worden verlicht en zichtbaar licht opvangen. De sensor verandert gewoon van kleur als de hoeveelheid waterstof in de omgeving verandert.

Het plastic rond de kleine sensor is niet alleen voor bescherming, maar fungeert als een belangrijk onderdeel. Het verhoogt de reactietijd van de sensor door de opname van de waterstofgasmoleculen in de metaaldeeltjes te versnellen waar ze kunnen worden gedetecteerd. Tegelijkertijd, het plastic fungeert als een effectieve barrière voor het milieu, voorkomen dat andere moleculen de sensor binnendringen en deactiveren. De sensor kan daardoor zowel zeer efficiënt als ongestoord werken, waardoor het kan voldoen aan de strenge eisen van de auto-industrie - in minder dan een seconde 0,1 procent waterstof in de lucht kunnen detecteren.

"We hebben niet alleen 's werelds snelste waterstofsensor ontwikkeld, maar ook een sensor die stabiel is in de tijd en niet uitschakelt. In tegenstelling tot de huidige waterstofsensoren, onze oplossing hoeft niet zo vaak opnieuw te worden gekalibreerd, omdat het wordt beschermd door het plastic, " zegt Ferry Nugroho, een onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde in Chalmers.

Het was tijdens zijn tijd als Ph.D. student dat Ferry Nugroho en zijn begeleider Christoph Langhammer beseften dat ze met iets groots bezig waren. Na het lezen van een wetenschappelijk artikel waarin stond dat het tot nu toe nog niemand was gelukt om te voldoen aan de strenge responstijd-eisen die worden gesteld aan waterstofsensoren voor toekomstige waterstofauto's, ze hebben hun eigen sensor getest. Ze realiseerden zich dat ze slechts één seconde verwijderd waren van het doel - zonder zelfs maar te proberen het te optimaliseren. de kunststof, oorspronkelijk vooral bedoeld als barrière, deed het werk beter dan ze zich hadden kunnen voorstellen, door de sensor ook sneller te maken. De ontdekking leidde tot een intense periode van experimenteel en theoretisch werk.

"In die situatie er was geen houden ons tegen. We wilden de ultieme combinatie van nanodeeltjes en plastic vinden, begrijpen hoe ze samenwerkten en wat het zo snel maakte. Ons harde werk heeft resultaat opgeleverd. Binnen slechts enkele maanden, we bereikten de vereiste responstijd en het theoretische basisbegrip van wat dit faciliteert, ", zegt Ferry Nugroho.

Het detecteren van waterstof is op veel manieren een uitdaging. Het gas is onzichtbaar en geurloos, maar vluchtig en zeer licht ontvlambaar. Er is slechts vier procent waterstof in de lucht nodig om zuurstofwaterstofgas te produceren, soms bekend als knallgas, die ontbrandt bij de kleinste vonk. Om waterstofauto’s en de bijbehorende infrastructuur van de toekomst voldoende veilig te maken, het moet dus mogelijk zijn om extreem kleine hoeveelheden waterstof in de lucht te detecteren. De sensoren moeten snel genoeg zijn om lekkages snel te kunnen detecteren voordat er brand ontstaat.

"Het voelt geweldig om een ​​sensor te presenteren die hopelijk een onderdeel kan zijn van een grote doorbraak voor voertuigen op waterstof. De interesse die we zien in de brandstofcelindustrie is inspirerend, " zegt Christoph Langhammer, Professor bij Chalmers Department of Physics.

Hoewel het vooral de bedoeling is om waterstof als energiedrager in te zetten, de sensor biedt ook andere mogelijkheden. Zeer efficiënte waterstofsensoren zijn nodig in de elektriciteitsnetwerkindustrie, de chemische en kernenergie-industrie, en kan ook helpen bij het verbeteren van de medische diagnostiek.

"De hoeveelheid waterstofgas in onze adem kan antwoorden geven op:bijvoorbeeld, ontstekingen en voedselintoleranties. We hopen dat onze resultaten breed inzetbaar zijn. Dit is zoveel meer dan een wetenschappelijke publicatie, ', zegt Christoph Langhammer.

Op lange termijn, de hoop is dat de sensor op een efficiënte manier in serie kan worden vervaardigd, bijvoorbeeld met behulp van 3D-printertechnologie.

Feiten:'s werelds snelste waterstofsensor

• De door Chalmers ontwikkelde sensor is gebaseerd op een optisch fenomeen – een plasmon – dat optreedt wanneer metalen nanodeeltjes worden verlicht en licht van een bepaalde golflengte opvangen.
• De optische nanosensor bevat miljoenen metalen nanodeeltjes van een palladium-goudlegering, een materiaal dat bekend staat om zijn sponsachtige vermogen om grote hoeveelheden waterstof op te nemen. Het plasmoneffect zorgt er vervolgens voor dat de sensor van kleur verandert wanneer de hoeveelheid waterstof in de omgeving verandert.
• Het plastic rond de sensor is niet alleen een bescherming, maar verhoogt ook de reactietijd van de sensor doordat waterstofmoleculen sneller door de metaaldeeltjes kunnen dringen en dus sneller kunnen worden gedetecteerd. Tegelijkertijd, het plastic fungeert als een effectieve barrière voor het milieu omdat geen andere moleculen dan waterstof de nanodeeltjes kunnen bereiken, die deactivering verhindert.
• De efficiëntie van de sensor betekent dat hij kan voldoen aan de strikte prestatiedoelen die door de auto-industrie zijn gesteld voor toepassing in waterstofvoertuigen van de toekomst door in minder dan een seconde 0,1 procent waterstof in de lucht te detecteren.
• Het onderzoek werd gefinancierd door de Zweedse Stichting voor Strategisch Onderzoek, in het kader van het project Plastic Plasmonics.