Cảm biến hydro nhanh nhất thế giới có thể mở đường cho năng lượng hydro sạch

Hydrogen là chất mang năng lượng sạch và có thể tái tạo, có thể cung cấp năng lượng cho các phương tiện, với nước là khí thải duy nhất. Thật không may, khí hydro rất dễ cháy khi trộn với không khí, vì vậy cần có các cảm biến rất hiệu quả và hiệu quả. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, trình bày các cảm biến hydro đầu tiên từng đáp ứng các mục tiêu hiệu suất trong tương lai để sử dụng cho các phương tiện chạy bằng hydro.

Các kết quả đột phá của các nhà nghiên cứu đã được công bố gần đây trên tạp chí khoa học Vật liệu Thiên nhiên (Nature Materials) . Phát hiện này là một máy phát quang nano được gói gọn trong một vật liệu nhựa. Cảm biến hoạt động dựa trên một hiện tượng quang học – một plasmon – xảy ra khi các hạt nano kim loại được chiếu sáng và thu được ánh sáng khả kiến. Cảm biến chỉ đơn giản là thay đổi màu sắc khi lượng hydro trong môi trường thay đổi.

Nhựa xung quanh cảm biến nhỏ bé không chỉ để bảo vệ, mà hoạt động như một thành phần chính. Nó làm tăng thời gian phản ứng của cảm biến bằng cách tăng tốc độ hấp thu của các phân tử khí hydro vào các hạt kim loại nơi chúng có thể được phát hiện. Đồng thời, nhựa hoạt động như một rào cản hiệu quả đối với môi trường, ngăn chặn bất kỳ phân tử nào khác xâm nhập và vô hiệu hóa cảm biến. Do đó, cảm biến có thể hoạt động hiệu quả cao và không bị xáo trộn, cho phép nó đáp ứng nhu cầu khắt khe của ngành công nghiệp ô tô – có khả năng phát hiện 0,1% hydro trong không khí trong chưa đầy một giây.

“Chúng tôi không chỉ phát triển cảm biến hydro nhanh nhất thế giới, mà còn là cảm biến ổn định theo thời gian và không tắt. Không giống như các cảm biến hydro ngày nay, giải pháp của chúng tôi không cần phải hiệu chỉnh lại thường xuyên, vì nó được bảo vệ bởi nhựa, “Ferry Nugroho, một nhà nghiên cứu tại Khoa Vật lý tại Chalmers nói.

Chính trong thời gian làm nghiên cứu sinh, Nugroho và người giám sát của ông, Christoph Langhammer đã nhận ra rằng họ đang có một điều gì đó lớn lao. Sau khi đọc một bài báo khoa học nói rằng chưa có ai thành công trong việc đạt được các yêu cầu về thời gian đáp ứng nghiêm ngặt đối với các cảm biến hydro cho các xe hydro trong tương lai, họ đã thử nghiệm cảm biến của chính họ. Họ nhận ra rằng họ chỉ cách mục tiêu một giây – thậm chí không cố gắng tối ưu hóa nó. Nhựa, ban đầu chủ yếu là một rào cản, đã làm công việc tốt hơn những gì họ có thể tưởng tượng, bằng cách làm cho cảm biến nhanh hơn. Khám phá đã dẫn đến một thời kỳ căng thẳng của công việc thực nghiệm và lý thuyết.

“Trong tình huống đó, không có gì ngăn cản chúng tôi. Chúng tôi muốn tìm ra sự kết hợp cuối cùng của hạt nano và nhựa, hiểu cách chúng hoạt động cùng nhau và điều gì đã làm cho nó nhanh đến vậy. Công việc khó khăn của chúng tôi đã mang lại kết quả. Chỉ trong vài tháng, chúng tôi đã đạt được thời gian đáp ứng cần thiết cũng như sự hiểu biết lý thuyết cơ bản về những gì tạo điều kiện thuận lợi cho nó, “ông Nugroho nói.

Phát hiện hydro là thách thức theo nhiều cách. Khí là vô hình và không mùi, nhưng dễ bay hơi và cực kỳ dễ cháy. Nó chỉ cần bốn phần trăm hydro trong không khí để tạo ra khí oxyhydrogen, đôi khi được gọi là knallgas, đốt cháy ở tia lửa nhỏ nhất. Để xe ô tô hydro và cơ sở hạ tầng liên quan của tương lai đủ an toàn, do đó phải có khả năng phát hiện một lượng cực nhỏ hydro trong không khí. Các cảm biến cần phải đủ nhanh để có thể nhanh chóng phát hiện rò rỉ trước khi xảy ra hỏa hoạn.

Christoph Langhammer, Giáo sư tại Khoa Vật lý Chalmers, nói: “Cảm giác thật tuyệt khi được trình bày một cảm biến có thể hy vọng là một phần của bước đột phá lớn đối với các phương tiện chạy bằng hydro. Sự quan tâm mà chúng ta thấy trong ngành công nghiệp pin nhiên liệu là truyền cảm hứng”.

Mặc dù mục đích chủ yếu là sử dụng hydro làm chất mang năng lượng, cảm biến cũng thể hiện các khả năng khác. Cảm biến hydro hiệu quả cao là cần thiết trong ngành công nghiệp mạng điện, công nghiệp điện hóa học và hạt nhân, và cũng có thể giúp cải thiện chẩn đoán y tế.

Christoph Langhammer nói: “Lượng khí hydro trong hơi thở của chúng ta có thể cung cấp câu trả lời, ví dụ như tình trạng viêm và không dung nạp thực phẩm. Chúng tôi hy vọng rằng kết quả của chúng ta có thể được sử dụng trên một mặt trận rộng. Đây không chỉ là một ấn phẩm khoa học”.

Về lâu dài, hy vọng là cảm biến có thể được sản xuất hàng loạt một cách hiệu quả, ví dụ như sử dụng công nghệ máy in 3D.

Sự thật: Cảm biến hydro nhanh nhất thế giới

• Cảm biến do Chalmer phát triển dựa trên một hiện tượng quang học – một plasmon – xảy ra khi các hạt nano kim loại được chiếu sáng và thu ánh sáng của một bước sóng nhất định.
• Máy phát quang nano chứa hàng triệu hạt nano kim loại của hợp kim vàng palađi, một vật liệu được biết đến với khả năng giống như bọt biển để hấp thụ một lượng lớn hydro. Hiệu ứng plasmon sau đó làm cho cảm biến thay đổi màu sắc khi lượng hydro trong môi trường thay đổi.
• Nhựa xung quanh cảm biến không chỉ là một sự bảo vệ, mà còn tăng thời gian phản ứng của cảm biến bằng cách tạo điều kiện cho các phân tử hydro thâm nhập vào các hạt kim loại nhanh hơn và do đó được phát hiện nhanh hơn. Đồng thời, nhựa hoạt động như một rào cản hiệu quả đối với môi trường vì không có phân tử nào khác ngoài hydro có thể chạm tới các hạt nano, điều này ngăn cản sự khử hoạt tính.
• Hiệu quả của cảm biến có nghĩa là nó có thể đáp ứng các mục tiêu hiệu suất nghiêm ngặt mà ngành công nghiệp ô tô đặt ra cho ứng dụng trong phương tiện hydro trong tương lai bằng khả năng phát hiện 0,1% hydro trong không khí trong chưa đầy một giây.
• Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu chiến lược Thụy Điển, trong khuôn khổ dự án Plasmonics bằng nhựa.

Nguồn tin tức:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Công nghệ Chalmers . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Phà AA Nugroho, Iwan Darmadi, Lucy Cusinato, Arturo Susarrey-Arce, Herman Schreuders, Lars J. Bannenberg, Alice Bastos da Silva Fanta, Shima Kadkhodazadeh, Jakob B. Wagner, Tomasz J. Antosiewicz, Đập Bernard, Christoph Langhammer. Vật liệu nano lai kim loại polymer cho phát hiện hydro cực nhanh plasmonic . Vật liệu thiên nhiên , 2019; DOI: 10.1038 / s41563-019-0325-4