氫氣作為一種清潔能源，在促進(jìn)節(jié)能減排、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化等方面具有廣闊應(yīng)用前景。

然而，使用氫氣存在一個(gè)“痛點(diǎn)”。氫氣本身具有易燃易爆、無(wú)色無(wú)味的性質(zhì)，這使得氫氣在泄漏時(shí)難以被察覺(jué)，累積后極易產(chǎn)生安全事故。更好地開(kāi)發(fā)利用氫能，快速、高靈敏的氫氣傳感技術(shù)必不可少。

近日，傳感器領(lǐng)域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》上線(xiàn)了一篇重要論文，展現(xiàn)了氫氣傳感技術(shù)的新進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作基礎(chǔ)上，與南開(kāi)大學(xué)教授楊大馳團(tuán)隊(duì)合作，將微納聲表面波器件技術(shù)與鈀鎳納米線(xiàn)氫敏材料相結(jié)合，提出并研制了一種具有秒級(jí)響應(yīng)、高靈敏和低檢測(cè)限的新型聲表面波氫氣傳感器。

目前氫傳感技術(shù)難以滿(mǎn)足實(shí)用需求

2019年仲夏之際，全球在20天內(nèi)發(fā)生了3次氫氣相關(guān)的爆炸事件。韓國(guó)一個(gè)氫燃料儲(chǔ)存罐發(fā)生爆炸事故;美國(guó)一處化工廠儲(chǔ)氫罐和氫氣運(yùn)輸拖車(chē)發(fā)生爆炸和火災(zāi);挪威首都奧斯陸郊外的一處加氫站發(fā)生爆炸。

如何安全利用氫氣這一綠色清潔能源，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

王文告訴科技日?qǐng)?bào)記者：“氫氣易燃易爆。在空氣中氫氣濃度在4%—75%范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸，由氫氣泄漏導(dǎo)致的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，使用氫能時(shí)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，氫氣傳感器也就成為氫能應(yīng)用中必不可少的關(guān)鍵部件。”

目前，典型氫氣傳感技術(shù)運(yùn)用了催化、熱導(dǎo)、電化學(xué)、電阻式及光學(xué)等方法。王文介紹道，這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

催化法傳感器可穩(wěn)定并快速檢測(cè)濃度在4%以?xún)?nèi)的氫氣，但對(duì)可燃性氣體的選擇性較差，易受抑制劑影響，且需較高的工作溫度，難以滿(mǎn)足氫能應(yīng)用領(lǐng)域極高的安全與可靠性要求。

熱導(dǎo)式傳感器可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較為快速(約在20秒內(nèi))的氫氣傳感，但傳感精度不高，對(duì)高熱導(dǎo)率氣體，例如氦、甲烷、一氧化碳等氣體，會(huì)造成交叉敏感，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)1%以下濃度氫氣的檢測(cè)。

電化學(xué)傳感器可以在常溫下工作，且靈敏度較高，但響應(yīng)速度較慢(約在70秒內(nèi))，使用壽命也較短。而電阻式傳感器雖然能實(shí)現(xiàn)秒級(jí)快速氫傳感，但一般需高溫工作環(huán)境(300攝氏度至800攝氏度)，且選擇性差、易中毒。

光學(xué)傳感器的優(yōu)勢(shì)在于傳感器件抗電磁干擾強(qiáng)，較安全，且靈敏度和測(cè)量精度高，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)。但是傳感器體積較大，整體系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高。

美國(guó)能源部2007年便制定了汽車(chē)以及固定式電力系統(tǒng)中氫氣檢測(cè)的性能指導(dǎo)要求。其中，最為關(guān)鍵的一條指明了對(duì)氫氣傳感器的性能要求——響應(yīng)速度與恢復(fù)速度期望在1秒內(nèi)，量程要求在0.1—10vol%。而現(xiàn)有的氫氣傳感器難以達(dá)到該要求。

“目前，氫傳感技術(shù)在響應(yīng)速度、使用量程及安全性等方面均難以滿(mǎn)足氫泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)用需求，新的氫傳感技術(shù)與方法亟待發(fā)展。”王文說(shuō)。

打造快速響應(yīng)與高靈敏度的新型傳感器

實(shí)際上，聲波氣敏技術(shù)作為聲學(xué)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，王文和同事們對(duì)其前沿動(dòng)態(tài)一點(diǎn)也不陌生。他和同事們一直深耕于此，在特異性氣敏材料響應(yīng)機(jī)制、多效應(yīng)耦合的聲表面波氣敏效應(yīng)及高性能聲表面波氣敏元件優(yōu)化等方面的研究取得重要進(jìn)展。

為了滿(mǎn)足氫能發(fā)展的實(shí)用需求，研發(fā)更靈敏的氫氣傳感器，王文及其課題組加快了攻關(guān)步伐。他們找到了在氫敏材料方面有著較為深入研究的南開(kāi)大學(xué)楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)。

雙方一拍即合。“自2016年起，我們就開(kāi)始和楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展新型聲表面波氫氣傳感器研究。”王文表示，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)處于優(yōu)勢(shì)地位，南開(kāi)大學(xué)則在氫敏材料研究方面有多年積累。雙方期望通過(guò)將聲表面波器件技術(shù)與鈀基納米材料(一種氫敏材料)結(jié)合，探索出快速氫傳感新方法，以解決現(xiàn)有氫傳感技術(shù)所面臨的技術(shù)難題。

“聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于快速響應(yīng)與高靈敏度。”王文解釋道，聲表面波技術(shù)本身對(duì)表面負(fù)載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點(diǎn)，將之與特異選擇性的氫敏材料相結(jié)合，利用傳感過(guò)程中的氣體吸附效應(yīng)對(duì)聲表面波傳播的作用，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的快速高靈敏檢測(cè)。

“此外，聲表面波氫氣傳感器還具備良好的重復(fù)性與選擇性，以及小體積、低成本的技術(shù)特點(diǎn)。”王文說(shuō)。

盡管思路和目標(biāo)十分清晰，在研究過(guò)程中，王文及其課題組還是遇到了難題。“我們面臨兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，一個(gè)是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機(jī)制及設(shè)計(jì)方法，另一個(gè)是高性能的聲表面波氫敏元件設(shè)計(jì)與制備。”

王文告訴記者，他們通過(guò)討論和各種實(shí)驗(yàn)，解決了難題。例如，通過(guò)探索鈀基材料及納米調(diào)控機(jī)制，確定了納米線(xiàn)制備方法;建立分析方法，對(duì)傳感器功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

團(tuán)隊(duì)最終成功研制出新型聲表面波氫氣傳感器樣機(jī)。

王文高興地表示：“樣機(jī)測(cè)試結(jié)果很好，驗(yàn)證了最初的設(shè)計(jì)思想。新型聲表面波氫氣傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣檢測(cè)的快速響應(yīng)、高靈敏度及低檢測(cè)限。”

在氫能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛

作為一種新興能源載體和化工原料，氫氣具有來(lái)源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)，與太陽(yáng)能、風(fēng)能等被稱(chēng)為九大新能源，并被譽(yù)為最具發(fā)展前景的二次能源。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等超過(guò)30個(gè)地方陸續(xù)出臺(tái)了涉及氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策及相關(guān)規(guī)劃。根據(jù)《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案(2021—2025年)》，2025年前，京津冀區(qū)域累計(jì)實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模1000億元以上，減少碳排放200萬(wàn)噸。

“氫能在電子工業(yè)、汽車(chē)業(yè)、冶金工業(yè)、石油化工、浮法玻璃、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天、食品加工等方面都有廣泛應(yīng)用，作為一種綠色能源，它的應(yīng)用程度在不斷深化。未來(lái)，氫氣傳感器的市場(chǎng)需求也將急劇增加。”王文說(shuō)。

近年來(lái)，氫氣傳感器得到了飛速發(fā)展，涌現(xiàn)了諸多如電化學(xué)、電學(xué)式及光學(xué)式等不同技術(shù)原理的商用氫氣傳感器。各國(guó)科研院所持續(xù)投入力量開(kāi)展氫氣傳感的新原理新技術(shù)研究，以期滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。

“聲表面波氫氣傳感器引起了很多科研人員的興趣。”王文表示，不少研究聚焦氫敏材料設(shè)計(jì)，取得了不錯(cuò)的試驗(yàn)效果。

“但迄今為止，因?yàn)闅涿舨牧洗嬖诜€(wěn)定性與可靠性方面的技術(shù)難題，還沒(méi)有出現(xiàn)商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器。”王文說(shuō)。

不過(guò)，隨著碳達(dá)峰碳中和工作深入推進(jìn)，未來(lái)，高靈敏氫氣傳感器將“大顯身手”。

王文對(duì)新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景很有信心。“鑒于聲表面波氫氣傳感器具備現(xiàn)有技術(shù)難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體積與低成本等特點(diǎn)，一旦完成工程化，在氫能領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。”

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