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隨著全球能源格局朝著更清潔的替代能源方向轉(zhuǎn)變，氫氣正成為備受青睞的選擇。它的吸引力在于既能像傳統(tǒng)燃料那樣燃燒，又只產(chǎn)生水這一副產(chǎn)品，而且還能在燃料電池中發(fā)電。然而，氫氣產(chǎn)量、利用量以及運(yùn)輸量的增加也帶來了重大的安全隱患。

本研究提出了一種制備先進(jìn)氫氣（H₂）傳感器的有效工藝，該傳感器兼具高精度與快速檢測(cè)的特點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)環(huán)境中的關(guān)鍵安全標(biāo)準(zhǔn)。圖片來源：東京科學(xué)研究所

氫氣在濃度低至 4% 時(shí)就具有高度可燃性，再加上它無色無味的特性，使得泄漏檢測(cè)極具挑戰(zhàn)性。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，東京科學(xué)研究所的矢島豐（Yutaka Majima）教授帶領(lǐng)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種尖端傳感器，它能夠以極快的速度檢測(cè)出超低濃度的氫氣。

新研發(fā)的這種傳感器利用了納米圖案化的多晶氧化銅（CuO）納米線（NWs），這些納米線被安裝在帶有鉑和鈦電極的二氧化硅 / 硅基底上。這些氧化銅納米線對(duì)氫氣表現(xiàn)出了很高的靈敏度。

“我們采用了電子束光刻技術(shù)以及兩步異位氧化法，開發(fā)出了一種可靠且可重現(xiàn)的工藝，用于制備高性能、帶有空隙的納米圖案化氧化銅納米線 - 納米間隙氫氣傳感器，這與傳統(tǒng)的直接從銅源生長(zhǎng)出來的獨(dú)立式單晶氧化銅納米線有很大不同。”—— 矢島豐，東京科學(xué)研究所教授

該傳感器的工作原理涉及氧化銅納米線在接觸氫氣時(shí)電阻發(fā)生變化。

在富氧環(huán)境中，氧分子會(huì)附著在氧化銅納米線的表面，形成離子（O₂⁻、O⁻、O₂2⁻），這些離子會(huì)在表面附近形成一層正電荷載流子，也就是空穴。當(dāng)氫氣與這些氧離子相互作用時(shí)，會(huì)生成水，從而降低空穴濃度，進(jìn)而使納米線的電阻增大。這種可測(cè)量的電阻變化使得檢測(cè)氫氣的存在及其濃度成為可能。

研究人員引入了在富氫氣氛中進(jìn)行預(yù)退火的工藝，隨后在干燥空氣中逐步氧化，以此顯著提升傳感器的性能。起初，銅納米線的結(jié)晶度較低，其氧化銅層限制了它們與氧氣的相互作用。退火過程使納米線的橫截面從矩形變?yōu)榘雸A形拱狀，改善了它們的結(jié)構(gòu)完整性。在氧化階段，銅原子向外擴(kuò)散與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成空隙，從而增大了表面積。增大的表面積為氫氣和氧氣的相互作用提供了更多的活性位點(diǎn)。

得益于這些進(jìn)展，該傳感器展現(xiàn)出了卓越的靈敏度，能夠檢測(cè)到低至十億分之五（ppb）的氫氣濃度，相較于此前基于氧化銅的氫氣傳感器有了大幅改進(jìn)。此外，它還具備抗?jié)裥�，而抗�(jié)裥允峭�類傳感器常見的局限所在。該傳感器的快速檢測(cè)能力也頗為突出，僅需 7 秒就能檢測(cè)到氫氣。

研究團(tuán)隊(duì)通過盡量縮小電極之間的間距，將納米間隙減小到 33 納米，進(jìn)一步提升了傳感器的性能。更小的納米間隙可增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，有利于電荷載流子更快速地移動(dòng)。這一改進(jìn)使得傳感器僅需 5 秒就能檢測(cè)到濃度為百萬分之一千（ppm）的氫氣，并且能在 10 秒內(nèi)恢復(fù)到基線水平。

“我們將繼續(xù)利用這一工藝開發(fā)更多種類的氣體傳感器，以便制造出用于檢測(cè)其他有害氣體的傳感器。” 矢島豐教授總結(jié)道。

通過解決關(guān)鍵的安全問題，這種傳感器技術(shù)為將氫氣安全地融入能源系統(tǒng)提供了支持，推動(dòng)了全球向可持續(xù)的氫能經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

期刊參考文獻(xiàn)：

趙，M. 等人（2024 年）《帶有空隙的納米圖案化氧化銅納米線 - 納米間隙氫氣傳感器》，《先進(jìn)功能材料》，doi.org/10.1002/adfm.202415971