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氢能利用再添“安全卫士” 新型传感器实现氢气秒级响应

来源:科技日报 时间:2022-02-23


视觉中国供图

  声表面波氢气传感器的技术优势在于快速响应与高灵敏度。声表面波技术本身对表面负载表现出极高的灵敏度和快速响应特点。将之与特异选择性的氢敏材料相结合,利用传感过程中的气体吸附效应对声表面波传播的作用,即可实现对氢气的快速高灵敏检测。

  氢气作为一种清洁能源,在促进节能减排、调整能源产业结构、应对全球气候变化等方面具有广阔应用前景。

  然而,使用氢气存在一个“痛点”。氢气本身具有易燃易爆、无色无味的性质,这使得氢气在泄漏时难以被察觉,累积后极易产生安全事故。更好地开发利用氢能,快速、高灵敏的氢气传感技术必不可少。

  近日,传感器领域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》上线了一篇重要论文,展现了氢气传感技术的新进展。中国科学院声学研究所超声学实验室研究员王文带领课题组在前期工作基础上,与南开大学教授杨大驰团队合作,将微纳声表面波器件技术与钯镍纳米线氢敏材料相结合,提出并研制了一种具有秒级响应、高灵敏和低检测限的新型声表面波氢气传感器。

  目前氢传感技术难以满足实用需求

  2019年仲夏之际,全球在20天内发生了3次氢气相关的爆炸事件。韩国一个氢燃料储存罐发生爆炸事故;美国一处化工厂储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸和火灾;挪威首都奥斯陆郊外的一处加氢站发生爆炸。

  如何安全利用氢气这一绿色清洁能源,成为人们关注的焦点。

  王文告诉科技日报记者:“氢气易燃易爆。在空气中氢气浓度在4%—75%范围内极易发生爆炸,由氢气泄漏导致的安全事故时有发生。因此,使用氢能时必须进行实时监测,氢气传感器也就成为氢能应用中必不可少的关键部件。”

  目前,典型氢气传感技术运用了催化、热导、电化学、电阻式及光学等方法。王文介绍道,这几种方法各有优缺点。

  催化法传感器可稳定并快速检测浓度在4%以内的氢气,但对可燃性气体的选择性较差,易受抑制剂影响,且需较高的工作温度,难以满足氢能应用领域极高的安全与可靠性要求。

  热导式传感器可在大范围内实现较为快速(约在20秒内)的氢气传感,但传感精度不高,对高热导率气体,例如氦、甲烷、一氧化碳等气体,会造成交叉敏感,也难以实现对1%以下浓度氢气的检测。

  电化学传感器可以在常温下工作,且灵敏度较高,但响应速度较慢(约在70秒内),使用寿命也较短。而电阻式传感器虽然能实现秒级快速氢传感,但一般需高温工作环境(300摄氏度至800摄氏度),且选择性差、易中毒。

  光学传感器的优势在于传感器件抗电磁干扰强,较安全,且灵敏度和测量精度高,能够达到实时响应。但是传感器体积较大,整体系统复杂且成本较高。

  美国能源部2007年便制定了汽车以及固定式电力系统中氢气检测的性能指导要求。其中,最为关键的一条指明了对氢气传感器的性能要求——响应速度与恢复速度期望在1秒内,量程要求在0.1—10vol%。而现有的氢气传感器难以达到该要求。

  “目前,氢传感技术在响应速度、使用量程及安全性等方面均难以满足氢泄漏监测的实用需求,新的氢传感技术与方法亟待发展。”王文说。

  打造快速响应与高灵敏度的新型传感器

  实际上,声波气敏技术作为声学领域的重要发展方向,王文和同事们对其前沿动态一点也不陌生。他和同事们一直深耕于此,在特异性气敏材料响应机制、多效应耦合的声表面波气敏效应及高性能声表面波气敏元件优化等方面的研究取得重要进展。

  为了满足氢能发展的实用需求,研发更灵敏的氢气传感器,王文及其课题组加快了攻关步伐。他们找到了在氢敏材料方面有着较为深入研究的南开大学杨大驰教授的团队。

  双方一拍即合。“自2016年起,我们就开始和杨大驰教授的团队合作,开展新型声表面波氢气传感器研究。”王文表示,中国科学院声学所的声表面波技术研究在国内处于优势地位,南开大学则在氢敏材料研究方面有多年积累。双方期望通过将声表面波器件技术与钯基纳米材料(一种氢敏材料)结合,探索出快速氢传感新方法,以解决现有氢传感技术所面临的技术难题。

  “声表面波氢气传感器的技术优势在于快速响应与高灵敏度。”王文解释道,声表面波技术本身对表面负载表现出极高的灵敏度和快速响应特点,将之与特异选择性的氢敏材料相结合,利用传感过程中的气体吸附效应对声表面波传播的作用,即可实现对氢气的快速高灵敏检测。

  “此外,声表面波氢气传感器还具备良好的重复性与选择性,以及小体积、低成本的技术特点。”王文说。

  尽管思路和目标十分清晰,在研究过程中,王文及其课题组还是遇到了难题。“我们面临两个技术难点,一个是钯基氢敏材料的响应机制及设计方法,另一个是高性能的声表面波氢敏元件设计与制备。”

  王文告诉记者,他们通过讨论和各种实验,解决了难题。例如,通过探索钯基材料及纳米调控机制,确定了纳米线制备方法;建立分析方法,对传感器功能结构进行优化。

  团队最终成功研制出新型声表面波氢气传感器样机。

  王文高兴地表示:“样机测试结果很好,验证了最初的设计思想。新型声表面波氢气传感器实现了对氢气检测的快速响应、高灵敏度及低检测限。”

  在氢能领域应用前景广泛

  作为一种新兴能源载体和化工原料,氢气具有来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点,与太阳能、风能等被称为九大新能源,并被誉为最具发展前景的二次能源。

  据不完全统计,截至目前,已有北京、河北、四川、山东等超过30个地方陆续出台了涉及氢能产业发展的政策及相关规划。根据《北京市氢能产业发展实施方案(2021—2025年)》,2025年前,京津冀区域累计实现氢能产业链产业规模1000亿元以上,减少碳排放200万吨。

  “氢能在电子工业、汽车业、冶金工业、石油化工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天、食品加工等方面都有广泛应用,作为一种绿色能源,它的应用程度在不断深化。未来,氢气传感器的市场需求也将急剧增加。”王文说。

  近年来,氢气传感器得到了飞速发展,涌现了诸多如电化学、电学式及光学式等不同技术原理的商用氢气传感器。各国科研院所持续投入力量开展氢气传感的新原理新技术研究,以期满足实际应用的需求。

  “声表面波氢气传感器引起了很多科研人员的兴趣。”王文表示,不少研究聚焦氢敏材料设计,取得了不错的试验效果。

  “但迄今为止,因为氢敏材料存在稳定性与可靠性方面的技术难题,还没有出现商业化的声表面波氢气传感器。”王文说。

  不过,随着碳达峰碳中和工作深入推进,未来,高灵敏氢气传感器将“大显身手”。

  王文对新型声表面波氢气传感器的应用前景很有信心。“鉴于声表面波氢气传感器具备现有技术难以比拟的快速、高灵敏、低功耗、小体积与低成本等特点,一旦完成工程化,在氢能领域极具应用前景。”

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