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“痛點(diǎn)”。氫氣本身具有易燃易爆,、無色無味的性質(zhì),，這使得氫氣在泄漏時難以被察覺，累積后極易產(chǎn)生安全事故,。更好地開發(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)與鈀鎳納米線氫敏材料相結(jié)合，提出并研制了一種具有秒級響應(yīng),、高靈敏和低檢測限的新型聲表面波氫氣傳感器,。

目前氫傳感技術(shù) 難以滿足實(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,。韓國一個氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸事故,；美國一處化工廠儲氫罐和氫氣運(yùn)輸拖車發(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)。

　　王文說：“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)致的安全事故時有發(fā)生。因此,，使用氫能時必須進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，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,?！?/span>

　　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)定并快速檢測濃度在4%以內(nèi)的氫氣,，但對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,，對高熱導(dǎo)率氣體,，例如氦、甲烷、一氧化碳等氣體,，會造成交叉敏感,，也難以實(shí)現(xiàn)對1%以下濃度氫氣的檢測。

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

　　美國能源部2007年便制定了汽車以及固定式電力系統(tǒng)中氫氣檢測的性能指導(dǎo)要求。其中,，最為關(guān)鍵的一條指明了對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足氫泄漏監(jiān)測的實(shí)用需求,，新的氫傳感技術(shù)與方法亟待發(fā)展,。”王文說,。

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，王文和同事們對其前沿動態(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,，我們就開始和楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)合作,，開展新型聲表面波氫氣傳感器研究?！蓖跷谋硎?，中國科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在國內(nèi)處于優(yōu)勢地位，南開大學(xué)則在氫敏材料研究方面有多年積累,。雙方期望通過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，利用傳感過程中的氣體吸附效應(yīng)對聲表面波傳播的作用,，即可實(shí)現(xiàn)對氫氣的快速高靈敏檢測,。

　　“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)?！蓖跷恼f,。

　　盡管思路和目標(biāo)十分清晰，在研究過程中,，王文及其課題組還是遇到了難題?！拔覀兠媾R兩個技術(shù)難點(diǎn),，一個是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機(jī)制及設(shè)計(jì)方法，另一個是高性能的聲表面波氫敏元件設(shè)計(jì)與制備,?！?/span>

　　王文說，他們通過討論和各種實(shí)驗(yàn),，解決了難題,。例如，通過探索鈀基材料及納米調(diào)控機(jī)制,，確定了納米線制備方法,；建立分析方法，對傳感器功能結(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)了對氫氣檢測的快速響應(yīng),、高靈敏度及低檢測限,。”

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),，與太陽能,、風(fēng)能等被稱為九大新能源，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30個地方陸續(xù)出臺了涉及氫能產(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200萬噸,。

　　“氫能在電子工業(yè)、汽車業(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,，氫氣傳感器的市場需求也將急劇增加,。”王文說,。

　　近年來,，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,。各國科研院所持續(xù)投入力量開展氫氣傳感的新原理新技術(shù)研究,，以期滿足實(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,?！蓖跷谋硎荆簧傺芯烤劢箽涿舨牧显O(shè)計(jì),，取得了不錯的試驗(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,，還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器,。”王文說,。

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

　　王文對新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景很有信心?！拌b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,?！?/span>

　　“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,，還沒有出現(xiàn)商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器,。”王文說,。

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

　　王文對新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景很有信心,?！拌b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,?！?/span>