氢气传感器|氢能利用再添“安全卫士” 新型传感器实现氢气秒级响应

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。
◎实习采访人员孙瑜
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。
王文告诉科技日报采访人员：“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。