聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器的技術優(you) 勢在於(yu) 快速響應與(yu) 高靈敏度。聲表麵波技術本身對表麵負載表現出極高的靈敏度和快速響應特點。將之與(yu) 特異選擇性的氫敏材料相結合，利用傳(chuan) 感過程中的氣體(ti) 吸附效應對聲表麵波傳(chuan) 播的作用，即可實現對氫氣的快速高靈敏檢測。

　　◎實習(xi) 記者 孫 瑜

　　氫氣作為(wei) 一種清潔能源，在促進節能減排、調整能源產(chan) 業(ye) 結構、應對全球氣候變化等方麵具有廣闊應用前景。

　　然而，使用氫氣存在一個(ge) “痛點”。氫氣本身具有易燃易爆、無色無味的性質，這使得氫氣在泄漏時難以被察覺，累積後極易產(chan) 生安全事故。更好地開發利用氫能，快速、高靈敏的氫氣傳(chuan) 感技術必不可少。

　　近日，傳(chuan) 感器領域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》上線了一篇重要論文，展現了氫氣傳(chuan) 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基礎上，與(yu) 南開大學教授楊大馳團隊合作，將微納聲表麵波器件技術與(yu) 鈀鎳納米線氫敏材料相結合，提出並研製了一種具有秒級響應、高靈敏和低檢測限的新型聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器。

　　目前氫傳(chuan) 感技術難以滿足實用需求

　　2019年仲夏之際，全球在20天內(nei) 發生了3次氫氣相關(guan) 的爆炸事件。韓國一個(ge) 氫燃料儲(chu) 存罐發生爆炸事故；美國一處化工廠儲(chu) 氫罐和氫氣運輸拖車發生爆炸和火災；挪威首都奧斯陸郊外的一處加氫站發生爆炸。

　　如何安全利用氫氣這一綠色清潔能源，成為(wei) 人們(men) 關(guan) 注的焦點。

　　王文告訴科技日報記者：“氫氣易燃易爆。在空氣中氫氣濃度在4%—75%範圍內(nei) 極易發生爆炸，由氫氣泄漏導致的安全事故時有發生。因此，使用氫能時必須進行實時監測，氫氣傳(chuan) 感器也就成為(wei) 氫能應用中必不可少的關(guan) 鍵部件。”

　　目前，典型氫氣傳(chuan) 感技術運用了催化、熱導、電化學、電阻式及光學等方法。王文介紹道，這幾種方法各有優(you) 缺點。

　　催化法傳(chuan) 感器可穩定並快速檢測濃度在4%以內(nei) 的氫氣，但對可燃性氣體(ti) 的選擇性較差，易受抑製劑影響，且需較高的工作溫度，難以滿足氫能應用領域極高的安全與(yu) 可靠性要求。

　　熱導式傳(chuan) 感器可在大範圍內(nei) 實現較為(wei) 快速(約在20秒內(nei) )的氫氣傳(chuan) 感，但傳(chuan) 感精度不高，對高熱導率氣體(ti) ，例如氦、甲烷、一氧化碳等氣體(ti) ，會(hui) 造成交叉敏感，也難以實現對1%以下濃度氫氣的檢測。

　　電化學傳(chuan) 感器可以在常溫下工作，且靈敏度較高，但響應速度較慢(約在70秒內(nei) )，使用壽命也較短。而電阻式傳(chuan) 感器雖然能實現秒級快速氫傳(chuan) 感，但一般需高溫工作環境(300攝氏度至800攝氏度)，且選擇性差、易中毒。

　　光學傳(chuan) 感器的優(you) 勢在於(yu) 傳(chuan) 感器件抗電磁幹擾強，較安全，且靈敏度和測量精度高，能夠達到實時響應。但是傳(chuan) 感器體(ti) 積較大，整體(ti) 係統複雜且成本較高。

　　美國能源部2007年便製定了汽車以及固定式電力係統中氫氣檢測的性能指導要求。其中，最為(wei) 關(guan) 鍵的一條指明了對氫氣傳(chuan) 感器的性能要求——響應速度與(yu) 恢複速度期望在1秒內(nei) ，量程要求在0.1—10vol%。而現有的氫氣傳(chuan) 感器難以達到該要求。

　　“目前，氫傳(chuan) 感技術在響應速度、使用量程及安全性等方麵均難以滿足氫泄漏監測的實用需求，新的氫傳(chuan) 感技術與(yu) 方法亟待發展。”王文說。

　　打造快速響應與(yu) 高靈敏度的新型傳(chuan) 感器

　　實際上，聲波氣敏技術作為(wei) 聲學領域的重要發展方向，王文和同事們(men) 對其前沿動態一點也不陌生。他和同事們(men) 一直深耕於(yu) 此，在特異性氣敏材料響應機製、多效應耦合的聲表麵波氣敏效應及高性能聲表麵波氣敏元件優(you) 化等方麵的研究取得重要進展。

　　為(wei) 了滿足氫能發展的實用需求，研發更靈敏的氫氣傳(chuan) 感器，王文及其課題組加快了攻關(guan) 步伐。他們(men) 找到了在氫敏材料方麵有著較為(wei) 深入研究的南開大學楊大馳教授的團隊。

　　雙方一拍即合。“自2016年起，我們(men) 就開始和楊大馳教授的團隊合作，開展新型聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器研究。”王文表示，中國科學院聲學所的聲表麵波技術研究在國內(nei) 處於(yu) 優(you) 勢地位，南開大學則在氫敏材料研究方麵有多年積累。雙方期望通過將聲表麵波器件技術與(yu) 鈀基納米材料(一種氫敏材料)結合，探索出快速氫傳(chuan) 感新方法，以解決(jue) 現有氫傳(chuan) 感技術所麵臨(lin) 的技術難題。

　　“聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器的技術優(you) 勢在於(yu) 快速響應與(yu) 高靈敏度。”王文解釋道，聲表麵波技術本身對表麵負載表現出極高的靈敏度和快速響應特點，將之與(yu) 特異選擇性的氫敏材料相結合，利用傳(chuan) 感過程中的氣體(ti) 吸附效應對聲表麵波傳(chuan) 播的作用，即可實現對氫氣的快速高靈敏檢測。

　　“此外，聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器還具備良好的重複性與(yu) 選擇性，以及小體(ti) 積、低成本的技術特點。”王文說。

　　盡管思路和目標十分清晰，在研究過程中，王文及其課題組還是遇到了難題。“我們(men) 麵臨(lin) 兩(liang) 個(ge) 技術難點，一個(ge) 是鈀基氫敏材料的響應機製及設計方法，另一個(ge) 是高性能的聲表麵波氫敏元件設計與(yu) 製備。”

　　王文告訴記者，他們(men) 通過討論和各種實驗，解決(jue) 了難題。例如，通過探索鈀基材料及納米調控機製，確定了納米線製備方法；建立分析方法，對傳(chuan) 感器功能結構進行優(you) 化。

　　團隊最終成功研製出新型聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器樣機。

　　王文高興(xing) 地表示：“樣機測試結果很好，驗證了最初的設計思想。新型聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器實現了對氫氣檢測的快速響應、高靈敏度及低檢測限。”

　　在氫能領域應用前景廣泛

　　作為(wei) 一種新興(xing) 能源載體(ti) 和化工原料，氫氣具有來源廣泛、清潔環保、可循環利用等一係列優(you) 點，與(yu) 太陽能、風能等被稱為(wei) 九大新能源，並被譽為(wei) 最具發展前景的二次能源。

　　據不完全統計，截至目前，已有北京、河北、四川、山東(dong) 等超過30個(ge) 地方陸續出台了涉及氫能產(chan) 業(ye) 發展的政策及相關(guan) 規劃。根據《北京市氫能產(chan) 業(ye) 發展實施方案(2021—2025年)》，2025年前，京津冀區域累計實現氫能產(chan) 業(ye) 鏈產(chan) 業(ye) 規模1000億(yi) 元以上，減少碳排放200萬(wan) 噸。

　　“氫能在電子工業(ye) 、汽車業(ye) 、冶金工業(ye) 、石油化工、浮法玻璃、精細有機合成、航空航天、食品加工等方麵都有廣泛應用，作為(wei) 一種綠色能源，它的應用程度在不斷深化。未來，氫氣傳(chuan) 感器的市場需求也將急劇增加。”王文說。

　　近年來，氫氣傳(chuan) 感器得到了飛速發展，湧現了諸多如電化學、電學式及光學式等不同技術原理的商用氫氣傳(chuan) 感器。各國科研院所持續投入力量開展氫氣傳(chuan) 感的新原理新技術研究，以期滿足實際應用的需求。

　　“聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器引起了很多科研人員的興(xing) 趣。”王文表示，不少研究聚焦氫敏材料設計，取得了不錯的試驗效果。

　　“但迄今為(wei) 止，因為(wei) 氫敏材料存在穩定性與(yu) 可靠性方麵的技術難題，還沒有出現商業(ye) 化的聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器。”王文說。

　　不過，隨著碳達峰碳中和工作深入推進，未來，高靈敏氫氣傳(chuan) 感器將“大顯身手”。

　　王文對新型聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器的應用前景很有信心。“鑒於(yu) 聲表麵波氫氣傳(chuan) 感器具備現有技術難以比擬的快速、高靈敏、低功耗、小體(ti) 積與(yu) 低成本等特點，一旦完成工程化，在氫能領域極具應用前景。”