Figur 1. Schematisk illustration av hur optiska vätesensorer fungerar. I närheten av väte, det tantal- (Ta) och palladium- (Pd)-baserade materialet absorberar väte (H). Ju större mängd väte i området, ju mer väte absorberar materialet. När materialet absorberar väte, dess optiska egenskaper förändras. Genom att till exempel mäta mängden ljus som reflekteras av materialet kan man bestämma vätetrycket eller koncentrationen. Kredit:TU Delft
Vätgas spelar en allt viktigare roll i omställningen till en helt hållbar ekonomi. Det används redan i stor skala inom industrin, men det används också oftare för hållbar energilagring och som bränsle för stora och tunga fordon i synnerhet. Det finns planer på att omvandla det befintliga naturgasnätet till ett vätgasnät. Dock, under vissa omständigheter, väte är en brännbar och ibland till och med en explosiv gas, så det är viktigt att spåra de minsta vätgasläckorna så snabbt som möjligt. Detta gör billiga, pålitliga sensorer som snabbt kan upptäcka små mängder väte av vital betydelse. Forskare vid TU Delft har nu tagit fram ett material som är extremt lämpat för denna uppgift.
För närvarande detekteras väte vanligtvis med relativt stor och dyr utrustning, som ofta behöver både syre och elektricitet för att fungera korrekt. Denna kombination av syre och elektricitet kan vara farlig i närheten av väte, vilket gör sensorerna olämpliga för många applikationer.
Optiska vätgassensorer har inte dessa nackdelar. Denna typ av sensor är baserad på det faktum att de optiska egenskaperna hos vissa material förändras när de absorberar väte i det ögonblick som väte finns nära sensorn. Denna förändring i optiska egenskaper kan till exempel mätas genom att beakta mängden ljus som reflekteras av materialet. Nyckeln här är att hitta ett avkänningsmaterial som gradvis absorberar mer väte när koncentrationen av väte i närheten av sensorn ökar.
De för närvarande kända avkänningsmaterialen har alla sina begränsningar. Till exempel, de kan antingen mäta relativt höga mängder väte, svara långsamt, fungerar endast vid höga temperaturer (> 90 °C), eller så är de väldigt komplicerade att göra. Delft-sensorn, baserad på tantal och palladium, har inte någon av dessa nackdelar:Den kan noggrant detektera väte vid rumstemperatur såväl som vid högre temperaturer och både i låga och höga koncentrationer.
I deras jakt på det bästa avkänningsmaterialet för en optisk vätesensor, forskarna från Delft använde ett brett utbud av avancerade tekniker för att karakterisera materialen. "Förutom optiska mätningar, vi använde röntgen- och neutronstrålning producerad av vår egen forskningsreaktor i Delft för att få en bättre förståelse av materialen, ", förklarar Lars Bannenberg. "Genom dessa mätningar får vi en djupare förståelse för materialen vilket gör att vi kan förbättra materialens egenskaper. Till exempel, vi använder det faktum att material beter sig lite annorlunda än vi är vana vid när de görs extremt tunna. Den ultimata vätesensorn kommer alltså bara att innehålla ett tunt lager av det upptäckta materialet med en tjocklek på mindre än en tusendels människohår."
Den här bilden visar fibrer med avkänningsmaterialet ovanpå. Det gröna skenet representerar ljuset som transporteras i fibern och delvis reflekteras i slutet av fibern. En stor fördel med det nyupptäckta materialet är att det även fungerar i rumstemperatur, så det finns inget behov av uppvärmning. Kredit:TU Delft
Köksvåg
Det som gör detta material speciellt är att det kan mäta väte över minst sju storleksordningar i tryck. Det är jämförbart med en köksvåg som kan mäta allt från några gram mjöl till vikten av en elefant, och alla med samma relativa noggrannhet. Detta gör sensorn mycket mångsidig:den kan användas för att mäta de minsta väteläckorna vid en vätgastankstation, till exempel, och även för att bestämma mängden väte i en vätebränslecell.
En annan användbar aspekt är den exceptionella svarshastigheten hos avkänningsmaterialet:det reagerar på en förändring i koncentrationen av väte inom en bråkdel av en sekund, mycket snabbare än de flesta material, som ofta har svarstider på flera tiotals sekunder eller till och med minuter. Att ett enda material kan göra allt detta var en överraskning för teamet självt:"Vi hade tänkt att vi skulle kunna förbättra de nuvarande materialen lite, men att vårt material skulle visa sig ha alla dessa användbara egenskaper gick utöver våra vildaste drömmar, säger Bernard Dam.
Ambitiösa planer
En patentansökan för det nya avkänningsmaterialet har lämnats in och den internationellt kända tidskriften Advanced Functional Materials har publicerat en artikel om upptäckten. Det finns ambitiösa planer för den närmaste framtiden. Till exempel, forskarna vill också se om materialet även kan användas i sensorer som är lämpliga för användning vid mycket låga temperaturer (-50 °C), så att de även kan användas i flygplan. "Förutom detta, vi undersöker möjligheten att bygga en prototypsensor som även fungerar utanför labbet, " säger Herman Schreuders. "Dessutom, vi vill se om sensorerna kan användas i vätebränsleceller. "
