氢气传感器

用于从飞机和汽车窗户排出雨水的同一种化学涂层也大大提高了氢传感器的灵敏度和反应时间。

这一发现是由美国能源部材料科学部物理学家肖志立领导的一个团队发现的阿贡国家实验室还是一名物理学副教授 北部 伊利诺斯州 大学 ．

科学家们证明，增强的传感器设计显示出对氢气的快速可逆响应，可重复数百次循环。该团队的研究报告发表在5月份的《应用物理快报》上。

传感器材料是通过在玻璃载玻片上沉积不连续的钯薄膜制成的，玻片上涂有一层润滑脂状的自组装硅氧烷单层，固定在表面。

“通过添加硅氧烷自组装单层，我们已经改变了薄膜动力学，”迈克尔·扎克(Michael Zach)说，他是化学家，也是格伦·西伯格博士后奖学金的获得者 阿贡．

“其他传感器在暴露于2%氢气时的响应时间为几秒钟;我们的工作只需几十毫秒。”他补充道。

此外，科学家们报告说，增强的传感器足够灵敏，可以探测到低至百万分之25 (ppm)的氢含量，远低于氢的最低爆炸极限。

钯是氢传感的理想材料，因为它可以选择性地吸收氢气并形成一种被称为氢化钯的化学物质。厚膜氢传感器设计依赖于钯金属氢化物的电阻大于金属的电阻这一事实。在这种系统中，氢的吸收伴随着可测量的电阻增加。

然而，钯薄膜传感器是基于相反的性质，这取决于薄膜内的纳米级结构。在薄膜中，当氢化物形成时，纳米级钯粒子膨胀，在膨胀的过程中，其中一些粒子与它们的邻居形成新的电连接。导通途径数量的增加导致电阻总体净下降。

钯擅长“润湿”裸露的玻璃表面——它在玻璃上以几纳米厚、几十纳米宽的水坑状簇状扩散。在玻璃上预涂硅氧烷单层后 阿贡科学家们发现钯的大小和空间分布发生了显著变化。就像刚打过蜡的汽车表面的水珠一样，钯形成了只有几纳米宽的颗粒簇。硅氧烷镀膜玻璃上相邻钯团簇之间的间隙比裸露玻璃上大得多的分散团簇之间的间隙要多，平均小十倍。

“更短的间隙距离对于提供快速、灵敏的响应非常重要，”化学家陶旭(Tao Xu)说，他是提交的快速氢传感器专利申请的第一发明人。即使是团簇的轻微膨胀也会在邻近区域之间产生更多新的电接触，并将许多新的电流传播途径连接在一起。

科学家们也有证据表明，玻璃的表面处理减少了金属和玻璃之间的附着力，或“粘性”，这种附着力阻碍了裸露玻璃上钯纳米粒子的膨胀和收缩。这种效应有助于提高传感器的响应速度。

科学家们花了将近一年的时间来优化在镀膜玻璃上制作钯膜的过程，他们开发了一种新的测试系统，可以快速注入氢气，在毫秒的时间尺度上测试传感器。他们说，他们制造传感器的方法很容易扩展到工业水平。“我们正在使用半导体行业已经使用的技术，”扎克说。

这种传感器价格也很实惠。虽然钯是一种昂贵的贵金属，但Zach估计每个传感器中的钯量非常小，金属成本不到一分钱。

几个悬而未决的问题包括传感器是否能承受空气中的有毒污染物，以及传感器是否能经得起长期运行。材料科学部超导及磁性组组长郭伟光(Wai-Kwong Kwok)表示有信心在工程层面处理这些问题。这些传感器正由一家工业合作伙伴与 阿贡．