一种新型氢气传感器提供了一种有效的方法来实时检测氢气泄漏，提高工业环境中的安全性。该传感器由含有空洞的纳米图案氢氧化铜（CuO）纳米线（NWs）构成，即使在非常低的浓度下也能识别氢气，响应时间、恢复速度和准确性相比早期的CuO传感器都有所提升。这一创新可以显著有助于在清洁能源倡议中更安全、更可靠地使用氢气。
随着我们向更可持续的能源来源迈进，氢气正逐渐受到关注。它可以像传统燃料一样燃烧，只产生水作为副产品，并可以通过燃料电池产生电力。然而，随着氢气的生产、使用和运输不断增加，安全问题也随之而来。氢气在仅4%的浓度下极易燃烧，并且无色无味，这使得泄漏检测变得复杂。
为了解决这些挑战，由东京科学研究所（Science Tokyo）Majima教授领导的研究团队创建了一种能够快速响应低浓度氢气的传感器。他们的研究成果发表于2024年11月5日的期刊Advanced Functional Materials上。
该传感器由特别对氢气敏感的纳米图案多晶CuO纳米线构成，位于带有铂/钛电极的硅（SiO2/Si）平台上。Majima教授表示：“我们利用电子束光刻技术和两步ex-situ氧化工艺，建立了一种可重复可靠的高性能纳米图案CuO纳米线-纳米间隙氢气传感器的制备方法，这与直接从铜源生长的传统自由立的单晶CuO纳米线有显著不同。”
当传感器与氢气接触时，它会检测到CuO纳米线电阻的变化。在空气中，氧分子附着在CuO纳米线的表面，形成氧离子（O2–, O–, O22-），在表面形成正电荷载体（空穴）层。氢气的引入导致这些氧离子发生反应，产生水，从而减少空穴的浓度。因此，纳米线的导电性降低，使得传感器能够通过测量电阻的增加来识别氢气的存在和浓度。
研究人员通过在富氢环境中添加预退火阶段，再在干燥空气中逐渐氧化，提高了传感器的有效性。最初制造的铜（Cu）纳米线缺乏理想的晶体结构，表面形成了Cu氧化物层，限制了与氧的相互作用。退火过程将Cu纳米线从矩形形状重塑为半圆拱形，增强了其晶体结构。在后期的氧化阶段，Cu纳米线转化为氧化铜，因为铜原子向外迁移以与氧反应，产生空洞，从而增加表面积并提供更多的氢和氧相互作用的活性位点。
得益于这些改进，该传感器现在能够识别低至5个亿分之一（ppb）的氢气浓度，远远超出以前的CuO H2传感器。此外，它对湿度具有抗干扰能力，这是CuO气体传感器常见的限制，并且能够在短短7秒内迅速检测氢气。
研究人员进一步通过最小化电极之间的纳米间隙来优化传感器的性能。较小的间隙产生更强的电场，这加速了电荷载体的运动，从而提高了传感器的响应和恢复速度。在间隙测量为33纳米的情况下，该传感器能够在5秒内检测到1,000 ppm的H2，并在10秒内恢复到基线条件。“我们致力于扩展我们的开发，利用这一技术制造更广泛的气体传感器，以检测其他危险气体，”Majima教授补充道。
通过促进早期泄漏或有害气体水平的检测，该传感器可以帮助降低风险，确保氢技术的安全实施，并支持向氢经济的转型。
