隨著我們轉(zhuǎn)向清潔能源，氫氣正成為越來越受歡迎的選擇。它可以像傳統(tǒng)燃料一樣燃燒，只產(chǎn)生水作為副產(chǎn)品，用于燃料電池時(shí)可以發(fā)電。然而，隨著氫氣生產(chǎn)、使用和運(yùn)輸?shù)脑黾�，安全問題也隨之增加。氫氣在濃度低至 4% 時(shí)高度易燃，無味無色，因此難以檢測(cè)泄漏。

為了解決這些問題，由東京理科研究所 （Science Tokyo） 的 Yutaka Majima 教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了一種傳感器，可以在非常短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)超低濃度的氫氣。他們的研究于 5 年 2024 月 <> 日發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上。

該傳感器由納米圖案多晶 CuO NW 制成，這些 CuO NW 對(duì)氫氣高度敏感，放置在硅 （SiO2/Si） 襯底。

Majima 教授說：“我們采用電子束光刻和兩步非原位氧化開發(fā)了一種可靠且可重復(fù)的工藝，用于制備具有空隙的高性能納米圖案 CuO 納米線-納米間隙氫氣傳感器，這與直接從銅源生長的傳統(tǒng)獨(dú)立式單晶 CuO 納米線有很大不同。

當(dāng)暴露于氫氣中時(shí)，傳感器通過檢測(cè) CuO NW 的電阻變化來工作。在空氣中，氧分子附著在 CuO NW 的表面，形成氧離子 （O2⁻、O⁻、O22-），從而在表面附近感應(yīng)出一層正電荷載流子（空穴）。

當(dāng)引入氫時(shí)，它與 CuO NWs 表面的氧離子反應(yīng)形成水，從而降低空穴濃度。結(jié)果，NW 的導(dǎo)電性降低。通過測(cè)量電阻的增加，傳感器可以檢測(cè)氫氣的存在和濃度。

研究人員通過在富氫環(huán)境中引入預(yù)退火步驟，然后在干燥空氣中緩慢氧化，從而提高了傳感器的性能。最初，制造的銅 （Cu） NW 具有低結(jié)晶度，并在表面形成銅氧化物層，阻礙了與氧的相互作用。退火工藝將 Cu NW 從矩形重塑為半圓形拱形，從而提高其結(jié)晶度。

在隨后的氧化步驟中，Cu NW 轉(zhuǎn)化為氧化銅。在此過程中，銅原子向外擴(kuò)散與氧反應(yīng)，產(chǎn)生空隙，增加 NW 的表面積，為氫和氧與 NW 相互作用提供更多活性位點(diǎn)。

由于這些改進(jìn)，該傳感器可以檢測(cè)到低至十億分之 5 （ppb） 的氫氣濃度，遠(yuǎn)低于以前基于 CuO 的 H₂ 傳感器。此外，它還耐潮濕，這是 CuO 氣體傳感器的常見缺點(diǎn)。傳感器響應(yīng)迅速，僅需 7 秒即可檢測(cè)到氫氣。

研究人員通過減少電極之間的納米間隙分離，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳感器的性能。間隙越小，電場(chǎng)越強(qiáng)，越快電荷載流子的移動(dòng)，越快傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度越快。該傳感器的間隙尺寸為 33 nm，僅需 1 秒即可檢測(cè)到 000,5 ppm 的 H₂，并在 10 秒內(nèi)返回到基線條件。

“我們將繼續(xù)利用這種工藝開發(fā)更廣泛的氣體傳感器，以制造用于其他有害氣體的傳感器，”Majima 教授說。

通過及早檢測(cè)泄漏或不安全的氣體水平，該傳感器可以幫助降低風(fēng)險(xiǎn)并實(shí)現(xiàn)氫技術(shù)的安全采用，從而支持向氫經(jīng)濟(jì)過渡。

更多信息：Muqing Zhao 等人，帶空隙的納米圖案化 CuO 納米線納米間隙氫氣傳感器，先進(jìn)功能材料（2024 年）。

DOI： 10.1002/adfm.202415971期刊信息： Advanced Functional Materials 

由東京理科研究所提供