湿度越高越灵敏：新型氢气传感器为绿色制氢安全护航

在氢气存在的任何环境中，都必须配备安全传感器以检测泄漏，并防止氢气与空气混合形成易燃的氧氢气体。然而，目前的传感器在潮湿环境下表现不佳——而氢气存在的地方通常伴随湿度。如今，瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员研发出一种新型氢气传感器，非常适合潮湿环境，而且湿度越高，传感器性能越强。

查尔姆斯大学博士生、该研究论文的第一作者 Athanasios Theodoridis 表示：“氢气传感器的性能会因环境不同而显著变化，而湿度是一个重要因素。如今很多传感器在潮湿环境下会变慢或性能下降。当我们测试新传感器概念时发现，湿度越高，对氢气的响应越强。我们花了一段时间才真正理解这是如何实现的。”该论文发表在期刊《ACS Sensors》上。

氢气在交通运输领域的重要性日益增加，同时也是化工原料和绿色钢铁制造的关键原料。空气中水分常年存在，同时氢气在与氧反应释放能量时（例如氢燃料电池，用于氢动力汽车或船舶）也会生成水。此外，燃料电池自身也需要水分，以防内部隔膜干燥，从而维持氢氧分离功能。

氢气生产和储存设施也始终与周围空气接触，空气湿度会随温度和天气变化而波动。因此，为了防止易挥发的氢气泄漏并形成可燃的氧氢混合气体，这些设施同样需要可靠且耐湿的传感器。

查尔姆斯大学开发的新型氢气传感器尺寸仅如指尖大小，内部含有微小的铂纳米颗粒。这些颗粒同时起到催化剂和传感器的作用：铂催化氢气与空气中的氧反应，释放热量，使传感器表面形成的水膜“沸腾蒸发”。空气中氢气的浓度决定了水膜蒸发的量，而空气湿度则控制水膜的厚度。因此，可以通过测量水膜厚度来间接测定氢气浓度。随着空气湿度升高，水膜变厚，传感器效率也随之提高。

这种过程的结果可以通过等离子体共振（plasmons）光学现象观察：铂纳米颗粒捕获光线并呈现特定颜色。当环境中氢气浓度变化时，纳米颗粒颜色随之改变，在达到危险浓度时，传感器会触发报警。

在查尔姆斯，等离子氢气传感器的开发已持续多年。Christoph Langhammer 教授团队在传感器响应速度、灵敏度，以及利用人工智能优化传感器性能和耐湿性方面取得多项突破。此前，该团队的传感器主要基于钯纳米颗粒，钯能像海绵吸水一样吸收氢气。新开发的铂基概念是在查尔姆斯 TechForH2 能力中心框架下研发的，催生了一种新型传感器——催化等离子氢气传感器（catalytic plasmonic hydrogen gas sensor），开启了新的可能性。

Athanasios Theodoridis表示：“我们对传感器进行了超过140小时的连续潮湿空气测试。结果显示，无论在何种湿度条件下，传感器均稳定可靠，可以准确检测氢气，这对于实际应用非常重要。”

根据研究人员测量，该传感器可检测到百万分之几（ppm）级别的氢气：最低可达30ppm，即环境中氢气含量的三千分之一，使其成为世界上在潮湿环境下最灵敏的氢气传感器之一。

查尔姆斯物理学教授、传感器公司Insplorion创始人之一 Christoph Langhammer 表示：“目前市场对能在潮湿环境中表现良好的传感器需求强烈。随着氢气在社会中角色日益重要，人们希望传感器不仅更小、更灵活，还能大规模生产并降低成本。我们的新型传感器概念很好地满足了这些要求。未来氢气传感器可能需要多种活性材料组合，以适应不同环境。我们预计需要将不同类型的活性材料结合使用，以制造在各种环境下都能良好工作的传感器。现在我们已知道，某些材料提供速度和灵敏度，而另一些材料更耐湿。未来我们将继续应用这一知识进行优化。”

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.5c03166

（素材来自：瑞典查尔姆斯理工大学 全球氢能网、新能源网综合）