Schematisk av väteavkänning med hjälp av palladiumnanopartiklar. Utan väte, de metalliska palladiumnanopartiklarna (orange prickar) fungerar som isolerade öar, och elektrisk ström kan inte flyta lätt över enheten. I kontrast, när enheten utsätts för ens en liten mängd väte, väteatomerna kan överbrygga klyftorna mellan öar, skapa ett uppkopplat nätverk som tillåter en stor ström att passera dock (röda linjer). Upphovsman:Osaka University
Ett team vid Osaka University har uppfunnit en ny process för att skapa högprecisionsavkänningsenheter som reagerar på närvaron av vätgas. Genom att noggrant kontrollera avsättningen av metalliska nanopartiklar på en kiselyta, forskarna kunde skapa en sensor som kan upptäcka låga vätehalter på grundval av förändringar i elektrisk ström. Denna forskning kan ha viktiga fördelar som en del av en övergång till vätebaserade bränslen, som kan driva framtidens nollutsläppsbilar och hjälpa till att bekämpa antropogena klimatförändringar.
För att tillverka en vätsensor, forskarna deponerade metalliskt palladium på ett kiselsubstrat. Det deponerade palladium bildar nanopartiklar på substratet, och de fungerar som små öar som är utmärkta ledare för elektricitet - men eftersom de inte bildar ett anslutet nätverk, strömmen över enheten är mycket liten.
Dock, när väteatomer är närvarande, de absorberas i palladium nanopartiklar, öka volymen av nanopartiklar, och sedan överbrygga klyftorna mellan öarna. Så småningom, en helt ansluten väg bildas, och elektroner kan flöda med mycket mindre motstånd. På det här sättet, även en liten förändring i vätekoncentrationen kan leda till en enorm ökning av strömmen, så enheterna kan göras mycket känsliga.
En betydande utmaning som Osaka-forskarna var tvungna att övervinna var just att kontrollera luckorna mellan öarna att deponera i första hand. Om avsättningstiden var för kort, luckorna mellan nanopartiklarna är för stora och de skulle inte överbryggas även när väte var närvarande. Omvänt, om deponeringstiden var för lång, nanopartiklarna skulle bilda ett uppkopplat nätverk på egen hand, även innan vätgas applicerades. För att optimera givarens respons, forskargruppen utvecklade en ny metod för att övervaka och kontrollera avsättningen av palladium som kallas piezoelektrisk resonans.
Illustration av hur piezoelektrisk resonans kan användas för att utvärdera separationen mellan palladiumpartiklarna under tillverkning av enheten. När palladiumnanopartiklar (gula) läggs till provet, det vibrerande piezoelektriska materialet (grönt rektangulärt parallellt piped) genererar ett växlande elektriskt fält (blå pilar) nära substratytan (grå), skapa ett strömflöde i avsatt palladium (orange partiklar). Detta gör att en del av vibrationsenergin hos det piezoelektriska materialet går förlorad. Värdet av energiförlusten är störst när palladiumpartiklarna kommer i kontakt med varandra, så avsättning kan stoppas vid den optimala nanopartikelkoncentrationen. Kredit:Osaka University
"Piezoelektriska material, som en kvartskristall i ett armbandsur, kan vibrera vid en mycket specifik frekvens som svar på en pålagd spänning, " förklarar seniorförfattaren Dr. Hirotsugu Ogi. Här, en bit piezoelektrisk litiumniobat sattes att vibrera under provet under den metalliska nanopartikelavsättningen. Den oscillerande piezoelektriska skapade ett elektriskt fält runt provet, vilket i sin tur inducerade en ström i enheten som berodde på palladiumnätverkets uppkoppling.
Sedan, dämpningen av oscillationen ändras beroende på anslutning. Därför, genom att lyssna på ljudet (mäta dämpningen) av det piezoelektriska materialet, anslutningen kan övervakas.
"Genom att optimera avsättningstiden med den piezoelektriska resonansmetoden, de resulterande vätesensorerna var 12 gånger känsligare än tidigare, "säger författaren Dr. Nobutomo Nakamura." Dessa enheter kan utgöra ett steg mot en renare energiframtid med väte. "
Verket publiceras i Tillämpad fysikbokstäver som "Precis kontroll av vätesvaret för halvkontinuerlig palladiumfilm med piezoelektrisk resonansmetod.".
