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可在室温下使用的氢气传感器问世

2018年07月20日 10:24:18 中国传动网

可在室温下使用的氢气传感器问世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,能侦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(DelftUniversityofTechnology,TUDelft)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(ungstentrioxide,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(doped),可藉此导入其他原子来改变其电气特性。TUDelft的技术论文主要作者GiordanoMattoni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,看看它是否能成为传感器。”

结果证明是可以的;研究人员首先是利用名为脉冲雷射沉积(pulsedlaserdeposition)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奈米的三氧化钨薄层。”

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,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(光学影像显示)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。

TUDelft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兼容,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。

 

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