Vätgas är en ren och förnybar energibärare som kan driva fordon, med vatten som enda utsläpp. Tyvärr, vätgas är mycket brandfarligt när det blandas med luft, så mycket effektiva och effektiva sensorer behövs. Nu, forskare från Chalmers tekniska högskola, Sverige, presentera de första vätesensorerna någonsin för att uppfylla de framtida prestandamålen för användning i vätgasdrivna fordon.

Forskarnas banbrytande resultat publicerades nyligen i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Naturmaterial . Upptäckten är en optisk nanosensor inkapslad i ett plastmaterial. Sensorn fungerar baserat på ett optiskt fenomen – en plasmon – som uppstår när metallnanopartiklar belyses och fångar upp synligt ljus. Sensorn ändrar helt enkelt färg när mängden väte i miljön ändras.

Plasten runt den lilla sensorn är inte bara för skydd, men fungerar som en nyckelkomponent. Det ökar sensorns svarstid genom att accelerera upptaget av vätgasmolekylerna i metallpartiklarna där de kan detekteras. På samma gång, plasten fungerar som en effektiv barriär mot miljön, förhindra andra molekyler från att komma in och avaktivera sensorn. Sensorn kan därför arbeta både mycket effektivt och ostört, vilket gör det möjligt för den att möta de rigorösa kraven från bilindustrin – att kunna detektera 0,1 procent väte i luften på mindre än en sekund.

"Vi har inte bara utvecklat världens snabbaste vätesensor, men också en sensor som är stabil över tid och inte avaktiveras. Till skillnad från dagens vätesensorer, vår lösning behöver inte kalibreras om så ofta, eftersom den är skyddad av plasten, " säger Ferry Nugroho, en forskare vid institutionen för fysik på Chalmers.

Det var under hans tid som Ph.D. elev att Ferry Nugroho och hans handledare Christoph Langhammer insåg att de var inne på något stort. Efter att ha läst en vetenskaplig artikel om att ingen ännu hade lyckats uppnå de stränga svarstidskraven som ställs på vätgassensorer för framtida vätgasbilar, de testade sin egen sensor. De insåg att de bara var en sekund från målet – utan att ens försöka optimera det. Plasten, ursprungligen avsedd främst som en barriär, gjorde jobbet bättre än de kunde ha föreställt sig, genom att även göra sensorn snabbare. Upptäckten ledde till en intensiv period av experimentellt och teoretiskt arbete.

"I den situationen det fanns ingen stopp för oss. Vi ville hitta den ultimata kombinationen av nanopartiklar och plast, förstå hur de arbetade tillsammans och vad som gjorde det så snabbt. Vårt hårda arbete gav resultat. Inom bara några månader, vi uppnådde den erforderliga svarstiden såväl som den grundläggande teoretiska förståelsen av vad som underlättar det, " säger Ferry Nugroho.

Att upptäcka väte är utmanande på många sätt. Gasen är osynlig och luktfri, men flyktig och extremt brandfarlig. Det krävs bara fyra procent väte i luften för att producera syrevätegas, ibland känd som knallgas, som tänds vid minsta gnista. För att vätgasbilar och framtidens tillhörande infrastruktur ska vara tillräckligt säkra, det måste därför vara möjligt att upptäcka extremt små mängder väte i luften. Sensorerna måste vara tillräckligt snabba för att läckor snabbt kan upptäckas innan en brand uppstår.

"Det känns fantastiskt att presentera en sensor som förhoppningsvis kan vara en del av ett stort genombrott för vätgasdrivna fordon. Intresset vi ser för bränslecellsindustrin är inspirerande, " säger Christoph Langhammer, Professor vid Chalmers institution för fysik.

Även om syftet i första hand är att använda väte som energibärare, sensorn ger även andra möjligheter. Högeffektiva vätgassensorer behövs i elnätsindustrin, den kemiska och kärnkraftsindustrin, och kan också bidra till att förbättra medicinsk diagnostik.

"Mängden vätgas i vårt andetag kan ge svar på, till exempel, inflammationer och matintoleranser. Vi hoppas att våra resultat kan användas på bred front. Det här är så mycket mer än en vetenskaplig publikation, säger Christoph Langhammer.

I det långa loppet, förhoppningen är att sensorn kan serietillverkas på ett effektivt sätt, till exempel med 3D-skrivarteknik.

Fakta:Världens snabbaste vätgassensor

• Den Chalmers-utvecklade sensorn är baserad på ett optiskt fenomen – en plasmon – som uppstår när metallnanopartiklar belyses och fångar ljus av en viss våglängd.
• Den optiska nanosensorn innehåller miljontals metallnanopartiklar av en palladium-guldlegering, ett material som är känt för sin svampliknande förmåga att absorbera stora mängder väte. Plasmoneffekten får sedan sensorn att ändra färg när mängden väte i miljön ändras.
• Plasten runt sensorn är inte bara ett skydd, men ökar också sensorns svarstid genom att underlätta för vätemolekyler att penetrera metallpartiklarna snabbare och därmed detekteras snabbare. På samma gång, plasten fungerar som en effektiv barriär mot miljön eftersom inga andra molekyler än väte kan nå nanopartiklarna, som förhindrar avaktivering.
• Sensorns effektivitet gör att den kan uppfylla de strikta prestandamålen som ställts upp av fordonsindustrin för användning i framtidens vätgasfordon genom att den kan detektera 0,1 procent väte i luften på mindre än en sekund.
• Forskningen finansierades av Stiftelsen för Strategisk Forskning, inom ramen för projektet Plastic Plasmonics.