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會議推薦：零碳世界、氫啟未來：2022中國（西部）氫能產業(yè)大會
聲表面波氫氣傳感器的技術優(yōu)勢在于響應快、靈敏度高。聲表面波技術本身對表面負載具有很高的靈敏度和快速響應特性。結合特殊的選擇性氫敏材料，利用傳感過程中的氣體吸附效應對聲表面波傳播進行快速、高靈敏度的檢測。
氫氣作為一種清潔能源，在促進節(jié)能減排、調整能源產業(yè)結構、應對全球氣候變化方面具有廣闊的應用前景。
然而，使用氫氣有一個“痛點”。氫氣本身易燃、易爆、無色、無味，使氫氣泄漏難以察覺，積累后容易發(fā)生安全事故。更好地開發(fā)和利用氫能，快速、高靈敏度的氫傳感技術至關重要。
近日，傳感器領域的重要期刊《Sensors and Actuators B:chemical》上線了一篇重要論文，展示了氫氣傳感技術的新進展。中國科學院聲學研究所超聲學實驗室研究員王文帶領課題組在前期工作的基礎上，與南開大學教授楊大馳團隊合作，將微納聲表面波器件技術與鈀鎳納米線氫敏材料相結合，提出并開發(fā)了一種具有秒級響應、高靈敏度、低檢測限的新型聲表面波氫傳感器。
目前氫傳感技術難以滿足實際需求
2019年仲夏，全球20天內發(fā)生了三起氫氣相關爆炸。韓國一個氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸；美國一家化工廠的儲氫罐和氫氣運輸拖車發(fā)生爆炸和火災；挪威首都奧斯陸郊區(qū)的一座加氫站發(fā)生爆炸。
如何安全利用氫氣作為綠色清潔能源，已成為人們關注的焦點。
王文表示：“氫氣易燃易爆。空氣中氫氣濃度在4%-75%范圍內極易發(fā)生爆炸，氫氣泄漏引起的安全事故時有發(fā)生。因此，在使用氫能時必須進行實時監(jiān)測，氫氣傳感器已成為氫能應用的關鍵組成部分。”
目前，典型的氫氣傳感技術采用催化、熱導、電化學、電阻和光學等方法。王文表示這些方法各有優(yōu)缺點。
催化傳感器能穩(wěn)定快速檢測濃度在4%以內的氫氣，但可燃氣體選擇性差，易受抑制劑影響，工作溫度需求較高，難以滿足氫能應用領域的高安全性和可靠性要求。
熱導式傳感器可以在大范圍內快速實現(xiàn)氫氣傳感（約20秒），但傳感精度不高，會對氦、甲烷、一氧化碳等高熱導氣體造成交叉敏感，難以檢測濃度低于1%的氫。
電化學傳感器可在常溫下工作，靈敏度高，但響應速度慢（約70秒內），使用壽命短。雖然電阻式傳感器可以實現(xiàn)秒級快速氫傳感，但一般需要高溫工作環(huán)境（300攝氏度至800攝氏度），選擇性差、容易中毒。
光學傳感器具有抗電磁干擾強、較安全、且靈敏度高、測量精度高、實時響應等優(yōu)點。但傳感器體積大，整個系統(tǒng)復雜且成本較高。
2007年，美國能源部制定了汽車和固定電力系統(tǒng)中氫氣檢測的性能指導要求。其中，最關鍵的一個指出，氫氣傳感器的性能要求——響應速度和恢復速度預計在1秒內，量程要求為0.1-10vol%。現(xiàn)有的氫氣傳感器很難滿足這一要求。
“目前，氫氣傳感技術在響應速度、使用范圍和安全性方面難以滿足氫氣泄漏監(jiān)測的實際需要，新的氫氣傳感技術和方法亟待發(fā)展。”王文說。
新型傳感器具有快速響應和高靈敏度
事實上，作為聲學領域的一個重要發(fā)展方向，王文和他的同事們對其前沿動態(tài)并不陌生。他和同事們一直在深入研究，在特異性氣敏材料響應機制、多效耦合的聲表面氣敏效應和高性能聲表面波氣敏元件優(yōu)化方面取得了重要進展。
為了滿足氫能發(fā)展的實際需求，開發(fā)了更敏感的氫氣傳感器，王文及其研究小組加快了研究步伐。他們找到了南開大學楊大馳教授的團隊，他們對氫敏材料進行了深入的研究。
雙方一拍即合。“自2016年以來，我們開始與楊大馳教授的團隊合作，開展新型聲表面波氫氣傳感器研究。”王文說，中國科學院聲學所的聲表面波技術研究在中國處于主導地位，而南開大學在氫敏材料研究方面積累了多年。雙方希望通過將聲表面波器件技術與鈀基納米材料（一種氫敏材料）相結合，探索快速氫傳感的新方法，解決現(xiàn)有氫傳感技術面臨的技術問題。
“聲表面波氫傳感器的技術優(yōu)勢在于響應快、靈敏度高。”王文解釋說，聲表面波技術本身對表面負載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應特點，結合特定的選擇性氫敏材料，利用傳感過程中的氣體吸附效應對聲表面波傳播，實現(xiàn)氫氣的快速高靈敏度檢測。
王文說：“此外，聲表面波氫氣傳感器還具有良好的重復性和選擇性，以及小體積、低成本的技術特點。”
雖然思路和目標非常明確，但王文及其研究小組在研究過程中仍然遇到了問題。“我們面臨著兩個技術困難，一是鈀基氫敏材料的響應機制和設計方法，二是高性能聲表面波氫敏元件的設計和制備。”
王文告訴記者，他們通過討論和各種實驗解決了問題。例如，通過探索鈀基材料及納米調控機制，確定了納米線的制備方法，建立了優(yōu)化傳感器功能結構的分析方法。
該團隊最終成功開發(fā)出新型聲表面波氫氣傳感器樣機。
王文高興地說：“樣機測試結果很好，驗證了最初的設計理念。新型聲表面波氫氣傳感器實現(xiàn)了對氫氣檢測的快速響應、高靈敏度和低檢測限制。”
在氫能領域應用前景廣闊
氫氣作為一種新興能源載體和化工原料，具有來源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點。被稱為太陽能和風能的九大新能源，也被稱為最具發(fā)展前景的二次能源。
據不完全統(tǒng)計，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等30多個地方出臺了氫能產業(yè)發(fā)展政策及相關規(guī)劃。根據《北京市氫能產業(yè)發(fā)展實施方案（2021-2025年）》，2025年前，京津冀地區(qū)實現(xiàn)氫能產業(yè)鏈產業(yè)規(guī)模超過1000億元，碳排放減少200萬噸。
“氫能廣泛應用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)、石化工業(yè)、浮法玻璃、精細有機合成、航空航天、食品加工等領域。作為一種綠色能源，它的應用正在深化。未來，對氫氣傳感器的市場需求也將急劇增加。”王文說。
近年來，氫傳感器發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多不同技術原理的商用氫氣傳感器，如電化學、電學和光學。各國科研機構繼續(xù)投入開展氫氣傳感新原理、新技術研究，以滿足實際應用的需要。
“聲表面波氫氣傳感器引起了許多研究人員的興趣。”王文說，許多研究都關注氫敏材料的設計，并取得了良好的實驗效果。
“但到目前為止，由于氫敏材料的穩(wěn)定性和可靠性，還沒有商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器。”王文說。
然而，隨著碳達峰碳中和工作的深入推進，未來高靈敏度氫氣傳感器將“大顯身手”。
王文對新型聲表面波氫氣傳感器的應用前景非常有信心。“鑒于聲表面波氫氣傳感器具有快速、靈敏度高、功耗低、體積小、成本低等特點，一旦完成工程化，在氫能領域具有巨大的應用前景。”
由于國內各地氫能政策的陸續(xù)出臺，可能會開啟一波氫能應用潮，解決氫燃料電池“卡脖子”技術刻不容緩，2月24日下午3點，由氫啟未來網主辦的氫能大咖分享匯特邀深圳市通用氫能科技有限公司－大區(qū)銷售總監(jiān)肖鵬永，與您一起討論氫燃料電池核心材料國產化。
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