I takt med att spridningen av miljövänliga vätgasbilar ökar ökar också betydelsen av vätgassensorer. I synnerhet är det fortfarande en utmanande uppgift att få till stånd teknik för att upptäcka vätgasläckor inom en sekund. Följaktligen har utvecklingen av världens första vätgassensor som uppfyller prestandastandarderna från U.S. Department of Energy blivit ett hett ämne.
Ett team på KAIST ledd av Dr. Min-Seung Jo från professor Jun-Bo Yoons team vid avdelningen för elektrisk och elektronisk teknik har framgångsrikt uppnått alla sina önskade prestandaindikatorer, och uppfyller globalt erkända standarder genom samarbete med forskningsteamet för elektromagnetiska energimaterial. vid Hyundai Motor Company's Basic Materials Research Center och professor Min-Ho Seo vid Pusan National University.
Den 10 januari meddelade forskargruppen att världens första vätesensor med en hastighet på mindre än 0,6 sekunder hade utvecklats.
För att säkra vätedetekteringsteknik som är snabbare och mer stabil än befintliga kommersialiserade vätesensorer började KAIST-teamet utveckla en nästa generations vätesensor 2021 tillsammans med Hyundai Motor Company. De lyckades efter två års utveckling. Forskningen publiceras i ACS Nano .
Befintlig forskning om vätesensorer har huvudsakligen fokuserat på avkänningsmaterial, såsom katalytiska behandlingar eller legering av palladiummaterial (Pd), som används i stor utsträckning i vätesensorer. Även om dessa studier visade utmärkta prestanda med vissa prestationsindikatorer, uppfyllde de inte alla önskade resultatindikatorer, och kommersialiseringen var begränsad på grund av svårigheten med batchbearbetning.
För att övervinna detta utvecklade forskargruppen en sensor som uppfyllde alla prestandaindikatorer genom att kombinera oberoende mikro-/nanostrukturdesign och processteknik baserad på rena palladiummaterial.
Med tanke på framtida massproduktion användes dessutom rena metallmaterial med färre materialrestriktioner istället för syntetiska material, och en nästa generations vätesensor utvecklades som kunde masstillverkas baserat på en halvledarbatchprocess.
Den utvecklade enheten är en differentiell enhet i samma plan där värmaren och avkänningsmaterialen är integrerade sida vid sida i samma plan för att övervinna den ojämna temperaturfördelningen hos befintliga gassensorer, där värmaren, isoleringsskiktet och avkänningsmaterialen är staplade vertikalt.
Palladiumnanomaterialet, som är ett avkänningsmaterial, har en helt flytande struktur och exponeras för luft underifrån, vilket maximerar reaktionsytan med en gas för att säkerställa en snabb reaktionshastighet. Dessutom arbetar palladiumavkänningsmaterialet vid en enhetlig temperatur över hela området. Forskargruppen kunde säkerställa en snabb drifthastighet, bred avkänningskoncentration och okänslighet för temperatur/fuktighet genom att noggrant kontrollera temperaturkänsliga avkänningsprestanda.
Teamet förpackade den tillverkade enheten med en Bluetooth-modul för att skapa ett integrerat system som trådlöst upptäcker vätgasläckor inom en sekund. Till skillnad från befintliga högpresterande optiska vätesensorer är den här mycket bärbar och kan användas i en mängd olika applikationer där väteenergi används.
Dr. Min-Seung Jo, som ledde forskningen, sa:"Resultaten av denna forskning är av betydande värde eftersom de inte bara fungerar i höga hastigheter genom att överskrida prestandagränserna för befintliga vätesensorer, utan också säkrar den tillförlitlighet och stabilitet som krävs för faktisk användning och kan användas på olika platser som bilar, vätgasladdningsstationer och hem."
Han avslöjade också sina framtidsplaner och sa:"Genom kommersialiseringen av denna vätesensorteknologi skulle jag vilja bidra till att främja en säker och miljövänlig användning av väteenergi."
Forskargruppen arbetar för närvarande med Hyundai Motor Company för att tillverka enheten i en wafer-skala och sedan montera den på en fordonsmodul för att ytterligare verifiera detektions- och hållbarhetsprestanda.
Mer information: Min-Seung Jo et al, Ultrasnabb (~0,6 s), Robust och mycket linjär vätedetektering upp till 10 % med användning av helt upphängd ren Pd Nanotråd, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06806
Tillhandahålls av Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
