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會議推薦：零碳世界、氫啟未來：2022中國（西部）氫能產(chǎn)業(yè)大會
聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于響應(yīng)快、靈敏度高。聲表面波技術(shù)本身對表面負(fù)載具有很高的靈敏度和快速響應(yīng)特性。結(jié)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(yīng)對聲表面波傳播進(jìn)行快速、高靈敏度的檢測。
氫氣作為一種清潔能源，在促進(jìn)節(jié)能減排、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、應(yīng)對全球氣候變化方面具有廣闊的應(yīng)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(shù)至關(guān)重要。
近日，傳感器領(lǐng)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(shù)的新進(jìn)展。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實驗室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作的基礎(chǔ)上，與南開大學(xué)教授楊大馳團(tuán)隊合作，將微納聲表面波器件技術(shù)與鈀鎳納米線氫敏材料相結(jié)合，提出并開發(fā)了一種具有秒級響應(yīng)、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(shù)難以滿足實際需求
2019年仲夏，全球20天內(nèi)發(fā)生了三起氫氣相關(guān)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(zāi)；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(guān)注的焦點。
王文表示：“氫氣易燃易爆?？諝庵袣錃鉂舛仍?%-75%范圍內(nèi)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(jìn)行實時監(jiān)測，氫氣傳感器已成為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分?！?/span>
目前，典型的氫氣傳感技術(shù)采用催化、熱導(dǎo)、電化學(xué)、電阻和光學(xué)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(nèi)的氫氣，但可燃?xì)怏w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(yīng)用領(lǐng)域的高安全性和可靠性要求。
熱導(dǎo)式傳感器可以在大范圍內(nèi)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(dǎo)氣體造成交叉敏感，難以檢測濃度低于1%的氫。
電化學(xué)傳感器可在常溫下工作，靈敏度高，但響應(yīng)速度慢（約70秒內(nèi)），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(xué)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(yīng)等優(yōu)點。但傳感器體積大，整個系統(tǒng)復(fù)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(dǎo)要求。其中，最關(guān)鍵的一個指出，氫氣傳感器的性能要求——響應(yīng)速度和恢復(fù)速度預(yù)計在1秒內(nèi)，量程要求為0.1-10vol%?，F(xiàn)有的氫氣傳感器很難滿足這一要求。
“目前，氫氣傳感技術(shù)在響應(yīng)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(shù)和方法亟待發(fā)展?！蓖跷恼f。
新型傳感器具有快速響應(yīng)和高靈敏度
事實上，作為聲學(xué)領(lǐng)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(yīng)機制、多效耦合的聲表面氣敏效應(yīng)和高性能聲表面波氣敏元件優(yōu)化方面取得了重要進(jìn)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(xué)楊大馳教授的團(tuán)隊，他們對氫敏材料進(jìn)行了深入的研究。
雙方一拍即合?！白?016年以來，我們開始與楊大馳教授的團(tuán)隊合作，開展新型聲表面波氫氣傳感器研究?！蓖跷恼f，中國科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在中國處于主導(dǎo)地位，而南開大學(xué)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(shù)與鈀基納米材料（一種氫敏材料）相結(jié)合，探索快速氫傳感的新方法，解決現(xiàn)有氫傳感技術(shù)面臨的技術(shù)問題。
“聲表面波氫傳感器的技術(shù)優(yōu)勢在于響應(yīng)快、靈敏度高。”王文解釋說，聲表面波技術(shù)本身對表面負(fù)載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點，結(jié)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(yīng)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(fù)性和選擇性，以及小體積、低成本的技術(shù)特點?！?/span>
雖然思路和目標(biāo)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?！拔覀兠媾R著兩個技術(shù)困難，一是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機制和設(shè)計方法，二是高性能聲表面波氫敏元件的設(shè)計和制備?！?/span>
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(diào)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(jié)構(gòu)的分析方法。
該團(tuán)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(jié)果很好，驗證了最初的設(shè)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(yīng)、高靈敏度和低檢測限制?！?/span>
在氫能領(lǐng)域應(yīng)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(fēng)能的九大新能源，也被稱為最具發(fā)展前景的二次能源。
據(jù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展政策及相關(guān)規(guī)劃。根據(jù)《北京市氫能產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過1000億元，碳排放減少200萬噸。
“氫能廣泛應(yīng)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(xì)有機合成、航空航天、食品加工等領(lǐng)域。作為一種綠色能源，它的應(yīng)用正在深化。未來，對氫氣傳感器的市場需求也將急劇增加?！蓖跷恼f。
近年來，氫傳感器發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多不同技術(shù)原理的商用氫氣傳感器，如電化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)。各國科研機構(gòu)繼續(xù)投入開展氫氣傳感新原理、新技術(shù)研究，以滿足實際應(yīng)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?！蓖跷恼f，許多研究都關(guān)注氫敏材料的設(shè)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?！蓖跷恼f。
然而，隨著碳達(dá)峰碳中和工作的深入推進(jìn)，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(yīng)用前景非常有信心?！拌b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(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景?！?/span>
由于國內(nèi)各地氫能政策的陸續(xù)出臺，可能會開啟一波氫能應(yīng)用潮，解決氫燃料電池“卡脖子”技術(shù)刻不容緩，2月24日下午3點，由氫啟未來網(wǎng)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(chǎn)化。
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