我国开发新型氢气传感技术，可低成本实现氢气高灵敏度检测

赵敏 2023-05-17

近日，暨南大学纳米光子学研究院研究团队研发出一种集成光催化、光传感、光电探测功能的氢气传感器，探测极限达到ppm级，同时实现了低成本、高集成、零偏压和室温工作。相关研究成果发表于Light: Science & Applications。

作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，在全球节能减排、应对气候变化的大背景下，氢能近年来受到越来越多的关注，成为能源产业结构调整的重点发展方向。全球主要发达国家都高度重视氢能产业发展，氢能全产业链关键核心技术趋于成熟，燃料电池出货量快速增长、成本持续下降，氢能基础设施建设明显提速。

但是，氢气易燃易爆，并且在泄漏时难以被察觉，因此在氢气的生产、运输、储存及使用等环节中极易产生安全事故。为保障开发利用氢能的安全性，必须要具备快速且高灵敏的氢气传感技术。目前市场上常用的氢气传感器以半导体氧化物体系与金属钯(钯合金)体系的电阻型氢气传感器为主，只能快速地检测到500 ppm以上的氢气浓度，无法在泄露的初始阶段及时报警，且往往需在150 ℃或更高温度下工作。

为解决这些问题，研究团队提出了一种光催化-光传感-光电探测一体集成的光电型氢气传感器。该传感器利用氢敏金属等离激元耦合产生的带内跃迁热电子，一方面可在氢分子/金属界面增强、加快催化断键反应，另一方面可越过金属-介质-半导体(MIS)肖特基结势垒形成与氢分子浓度相关的光电流信号，进而实现单片集成的高灵敏、低延时的氢气传感。更有趣的是，该技术的高灵敏性还得益于氢气环境下MIS结界面多物理机理协同作用，通过氢诱导界面极化层的热电子输运调制效应使器件可在0 V偏压下获得极高的响应开关比。

我国是世界上最大的制氢国，国内氢能产业呈现积极发展态势，已初步掌握氢能制备、储运、加氢、燃料电池和系统集成等主要技术和生产工艺，在部分区域实现燃料电池汽车小规模示范应用。但总体看，我国氢能产业仍处于发展初期，需要在技术装备水平方面加强创新，支撑产业发展。暨南大学研究团队的这项成果为氢气检测提供了低成本且高灵敏度的解决方案，在氢能汽车、氢燃料电池存储站等领域都有着巨大的应用市场，能够推动我国氢能产业的发展。

研究人员表示，下一步将从光学、电学和材料学角度出发，进一步提升氢气传感器的性能，以便达到更低的检测极限、以及更快的响应速度，使传感器在核电站这种级别的场景都有用武之地。另一方面，研究团队还打算把本次发现的新机制用于碳基气体等其他气体的检测，以便更好地适应国家的“双碳”战略。

责任编辑：展源

审　　核：何发

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