了解超灵敏氢气传感器的潜力

随着全球能源格局朝着更清洁的替代能源方向转变，氢气正成为备受青睐的选择。它的吸引力在于既能像传统燃料那样燃烧，又只产生水这一副产品，而且还能在燃料电池中发电。然而，氢气产量、利用量以及运输量的增加也带来了重大的安全隐患。

本研究提出了一种制备先进氢气（H₂）传感器的有效工艺，该传感器兼具高精度与快速检测的特点，能够满足工业环境中的关键安全标准。图片来源：东京科学研究所

氢气在浓度低至 4% 时就具有高度可燃性，再加上它无色无味的特性，使得泄漏检测极具挑战性。为应对这些挑战，东京科学研究所的矢岛丰（Yutaka Majima）教授带领的一个研究团队研发出了一种尖端传感器，它能够以极快的速度检测出超低浓度的氢气。

新研发的这种传感器利用了纳米图案化的多晶氧化铜（CuO）纳米线（NWs），这些纳米线被安装在带有铂和钛电极的二氧化硅 / 硅基底上。这些氧化铜纳米线对氢气表现出了很高的灵敏度。

“我们采用了电子束光刻技术以及两步异位氧化法，开发出了一种可靠且可重现的工艺，用于制备高性能、带有空隙的纳米图案化氧化铜纳米线 - 纳米间隙氢气传感器，这与传统的直接从铜源生长出来的独立式单晶氧化铜纳米线有很大不同。”—— 矢岛丰，东京科学研究所教授

该传感器的工作原理涉及氧化铜纳米线在接触氢气时电阻发生变化。

在富氧环境中，氧分子会附着在氧化铜纳米线的表面，形成离子（O₂⁻、O⁻、O₂2⁻），这些离子会在表面附近形成一层正电荷载流子，也就是空穴。当氢气与这些氧离子相互作用时，会生成水，从而降低空穴浓度，进而使纳米线的电阻增大。这种可测量的电阻变化使得检测氢气的存在及其浓度成为可能。

研究人员引入了在富氢气氛中进行预退火的工艺，随后在干燥空气中逐步氧化，以此显著提升传感器的性能。起初，铜纳米线的结晶度较低，其氧化铜层限制了它们与氧气的相互作用。退火过程使纳米线的横截面从矩形变为半圆形拱状，改善了它们的结构完整性。在氧化阶段，铜原子向外扩散与氧气发生反应，形成空隙，从而增大了表面积。增大的表面积为氢气和氧气的相互作用提供了更多的活性位点。

得益于这些进展，该传感器展现出了卓越的灵敏度，能够检测到低至十亿分之五（ppb）的氢气浓度，相较于此前基于氧化铜的氢气传感器有了大幅改进。此外，它还具备抗湿性，而抗湿性是同类传感器常见的局限所在。该传感器的快速检测能力也颇为突出，仅需 7 秒就能检测到氢气。

研究团队通过尽量缩小电极之间的间距，将纳米间隙减小到 33 纳米，进一步提升了传感器的性能。更小的纳米间隙可增强电场强度，有利于电荷载流子更快速地移动。这一改进使得传感器仅需 5 秒就能检测到浓度为百万分之一千（ppm）的氢气，并且能在 10 秒内恢复到基线水平。

“我们将继续利用这一工艺开发更多种类的气体传感器，以便制造出用于检测其他有害气体的传感器。” 矢岛丰教授总结道。

通过解决关键的安全问题，这种传感器技术为将氢气安全地融入能源系统提供了支持，推动了全球向可持续的氢能经济转型。

期刊参考文献：

赵，M. 等人（2024 年）《带有空隙的纳米图案化氧化铜纳米线 - 纳米间隙氢气传感器》，《先进功能材料》，doi.org/10.1002/adfm.202415971

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