室温氢气传感器有利“氢经济”发展
2018-07-20 06:49:24   来源:EETime   评论:0   点击:

氢气是取代石化燃料的潜力替代能源之一,然而具备高度易燃性,因此如果要发展氢能源经济,能检测氢气的传感器不可或缺。然而到目前为止,氢气传感器的最大挑战在于需要较高的温度才能起作用,而且敏感度较低、反应时间也较缓慢。

室温氢气传感器有利“氢经济”发展

氢气是取代石化燃料的潜力替代能源之一,然而具备高度易燃性,因此如果要发展氢能源经济,能检测氢气的传感器不可或缺。然而到目前为止,氢气传感器的最大挑战在于需要较高的温度才能起作用,而且敏感度较低、反应时间也较缓慢。

而来自荷兰的台夫特理工大学(Delft University of Technology,TU Delft)研究人员宣称,他们已经克服上述挑战,开发了一种以三氧化钨(ungsten trioxide,WO3)薄层制作的新型传感器,结合了高电阻以及利用铂金(platinum)催化剂感测氢气的能力,可以在接近室温下感测到1pppm的氢气浓度,而且当氢气浓度超过100pppm时,反应时间不到1秒。

三氧化钨的特性之一是晶格结构中包含许多开放空间,因此这种材料很容易掺杂,可借此导入其他原子来改变其电气特性。TU Delft的技术论文主要作者Giordano Mattoni表示,三氧化钨本身是一种绝缘体,“但在掺杂之后,能藉由添加电荷改变材料的颜色,并且将之逐渐转变成金属;我们尝试将氢气掺杂到三氧化钨薄膜,看看它是否能成为感测器。”

结果证明是可以的;研究人员首先是利用名为脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)的方法制作三氧化钨薄层,如此能在一片基板上一层层单独沉积该种材料层;Mattoni指出:“利用这种方法,我们制作出厚度仅9纳米的三氧化钨薄层。”

然后研究人员将铂金液滴(droplet)放置在三氧化钨薄层的最上方;铂金具备一种众所周知的特性,能扮演将氢分子分离为单个氢原子的催化剂,而研究人员观察到,那些原子能进入三氧化钨的晶格,并将之缓慢由绝缘体转变为金属。Mattoni指出:“这意味着透过量测材料的电阻,我们能判定环境中的氢气浓度。”

研究人员的实验将三氧化钨薄膜暴露于不同的环境条件中

研究人员的实验将三氧化钨薄膜暴露于不同的环境条件中,包括正常空气,混合了氢气的环境,还有真空;而实验结果可以看出,其电阻与样本颜色(光学图像显示)会在暴露于氢气时改变,但在正常空气中又会恢复初始状态

TU Delft开发的新型氢气传感器与其他同类传感器最大的不同,就在于能在室温下使用。“其敏感度比其他市面上的产品更高,在几分钟之内就能重复使用;”Mattoni还表示:“此外透过提高或降低传感器温度,也能根据不同应用来调整其敏感度。”因为该种薄膜能与目前的半导体技术相容,新型氢气传感器具备大量生产的潜力,研究团队正准备为此技术申请专利。

延伸阅读:

《微型气体传感器专利分析报告》

《气体传感器技术和市场》

《博世四合一环境传感器(集成气体传感器):BME680》

《CCS挥发性有机化合物MEMS气体传感器:CCS801》

《AMS VOC MEMS气体传感器:AS-MLV-P2》

《Sensirion气体传感器:SGP30》

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