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會(huì)議推薦：零碳世界、氫啟未來(lái)：2022中國(guó)（西部）氫能產(chǎn)業(yè)大會(huì)
聲表面波氫氣傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)快、靈敏度高。聲表面波技術(shù)本身對(duì)表面負(fù)載具有很高的靈敏度和快速響應(yīng)特性。結(jié)合特殊的選擇性氫敏材料，利用傳感過(guò)程中的氣體吸附效應(yīng)對(duì)聲表面波傳播進(jìn)行快速、高靈敏度的檢測(cè)。
氫氣作為一種清潔能源，在促進(jìn)節(jié)能減排、調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，使用氫氣有一個(gè)“痛點(diǎn)”。氫氣本身易燃、易爆、無(wú)色、無(wú)味，使氫氣泄漏難以察覺(jué)，積累后容易發(fā)生安全事故。更好地開(kāi)發(fā)和利用氫能，快速、高靈敏度的氫傳感技術(shù)至關(guān)重要。
近日，傳感器領(lǐng)域的重要期刊《Sensors and Actuators B:chemical》上線了一篇重要論文，展示了氫氣傳感技術(shù)的新進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所超聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員王文帶領(lǐng)課題組在前期工作的基礎(chǔ)上，與南開(kāi)大學(xué)教授楊大馳團(tuán)隊(duì)合作，將微納聲表面波器件技術(shù)與鈀鎳納米線氫敏材料相結(jié)合，提出并開(kāi)發(fā)了一種具有秒級(jí)響應(yīng)、高靈敏度、低檢測(cè)限的新型聲表面波氫傳感器。
目前氫傳感技術(shù)難以滿足實(shí)際需求
2019年仲夏，全球20天內(nèi)發(fā)生了三起氫氣相關(guān)爆炸。韓國(guó)一個(gè)氫燃料儲(chǔ)存罐發(fā)生爆炸；美國(guó)一家化工廠的儲(chǔ)氫罐和氫氣運(yùn)輸拖車發(fā)生爆炸和火災(zāi)；挪威首都奧斯陸郊區(qū)的一座加氫站發(fā)生爆炸。
如何安全利用氫氣作為綠色清潔能源，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。
王文表示：“氫氣易燃易爆?？諝庵袣錃鉂舛仍?%-75%范圍內(nèi)極易發(fā)生爆炸，氫氣泄漏引起的安全事故時(shí)有發(fā)生。因此，在使用氫能時(shí)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，氫氣傳感器已成為氫能應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分?！?/span>
目前，典型的氫氣傳感技術(shù)采用催化、熱導(dǎo)、電化學(xué)、電阻和光學(xué)等方法。王文表示這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。
催化傳感器能穩(wěn)定快速檢測(cè)濃度在4%以內(nèi)的氫氣，但可燃?xì)怏w選擇性差，易受抑制劑影響，工作溫度需求較高，難以滿足氫能應(yīng)用領(lǐng)域的高安全性和可靠性要求。
熱導(dǎo)式傳感器可以在大范圍內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)氫氣傳感（約20秒），但傳感精度不高，會(huì)對(duì)氦、甲烷、一氧化碳等高熱導(dǎo)氣體造成交叉敏感，難以檢測(cè)濃度低于1%的氫。
電化學(xué)傳感器可在常溫下工作，靈敏度高，但響應(yīng)速度慢（約70秒內(nèi)），使用壽命短。雖然電阻式傳感器可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)快速氫傳感，但一般需要高溫工作環(huán)境（300攝氏度至800攝氏度），選擇性差、容易中毒。
光學(xué)傳感器具有抗電磁干擾強(qiáng)、較安全、且靈敏度高、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但傳感器體積大，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高。
2007年，美國(guó)能源部制定了汽車和固定電力系統(tǒng)中氫氣檢測(cè)的性能指導(dǎo)要求。其中，最關(guān)鍵的一個(gè)指出，氫氣傳感器的性能要求——響應(yīng)速度和恢復(fù)速度預(yù)計(jì)在1秒內(nèi)，量程要求為0.1-10vol%?，F(xiàn)有的氫氣傳感器很難滿足這一要求。
“目前，氫氣傳感技術(shù)在響應(yīng)速度、使用范圍和安全性方面難以滿足氫氣泄漏監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，新的氫氣傳感技術(shù)和方法亟待發(fā)展。”王文說(shuō)。
新型傳感器具有快速響應(yīng)和高靈敏度
事實(shí)上，作為聲學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，王文和他的同事們對(duì)其前沿動(dòng)態(tài)并不陌生。他和同事們一直在深入研究，在特異性氣敏材料響應(yīng)機(jī)制、多效耦合的聲表面氣敏效應(yīng)和高性能聲表面波氣敏元件優(yōu)化方面取得了重要進(jìn)展。
為了滿足氫能發(fā)展的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了更敏感的氫氣傳感器，王文及其研究小組加快了研究步伐。他們找到了南開(kāi)大學(xué)楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)，他們對(duì)氫敏材料進(jìn)行了深入的研究。
雙方一拍即合?！白?016年以來(lái)，我們開(kāi)始與楊大馳教授的團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)展新型聲表面波氫氣傳感器研究?！蓖跷恼f(shuō)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所的聲表面波技術(shù)研究在中國(guó)處于主導(dǎo)地位，而南開(kāi)大學(xué)在氫敏材料研究方面積累了多年。雙方希望通過(guò)將聲表面波器件技術(shù)與鈀基納米材料（一種氫敏材料）相結(jié)合，探索快速氫傳感的新方法，解決現(xiàn)有氫傳感技術(shù)面臨的技術(shù)問(wèn)題。
“聲表面波氫傳感器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)快、靈敏度高。”王文解釋說(shuō)，聲表面波技術(shù)本身對(duì)表面負(fù)載表現(xiàn)出極高的靈敏度和快速響應(yīng)特點(diǎn)，結(jié)合特定的選擇性氫敏材料，利用傳感過(guò)程中的氣體吸附效應(yīng)對(duì)聲表面波傳播，實(shí)現(xiàn)氫氣的快速高靈敏度檢測(cè)。
王文說(shuō)：“此外，聲表面波氫氣傳感器還具有良好的重復(fù)性和選擇性，以及小體積、低成本的技術(shù)特點(diǎn)?！?/span>
雖然思路和目標(biāo)非常明確，但王文及其研究小組在研究過(guò)程中仍然遇到了問(wèn)題。“我們面臨著兩個(gè)技術(shù)困難，一是鈀基氫敏材料的響應(yīng)機(jī)制和設(shè)計(jì)方法，二是高性能聲表面波氫敏元件的設(shè)計(jì)和制備?！?/span>
王文告訴記者，他們通過(guò)討論和各種實(shí)驗(yàn)解決了問(wèn)題。例如，通過(guò)探索鈀基材料及納米調(diào)控機(jī)制，確定了納米線的制備方法，建立了優(yōu)化傳感器功能結(jié)構(gòu)的分析方法。
該團(tuán)隊(duì)最終成功開(kāi)發(fā)出新型聲表面波氫氣傳感器樣機(jī)。
王文高興地說(shuō)：“樣機(jī)測(cè)試結(jié)果很好，驗(yàn)證了最初的設(shè)計(jì)理念。新型聲表面波氫氣傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氣檢測(cè)的快速響應(yīng)、高靈敏度和低檢測(cè)限制?！?/span>
在氫能領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊
氫氣作為一種新興能源載體和化工原料，具有來(lái)源廣泛、清潔環(huán)保、可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)。被稱為太陽(yáng)能和風(fēng)能的九大新能源，也被稱為最具發(fā)展前景的二次能源。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，已有北京、河北、四川、山東等30多個(gè)地方出臺(tái)了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策及相關(guān)規(guī)劃。根據(jù)《北京市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案（2021-2025年）》，2025年前，京津冀地區(qū)實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過(guò)1000億元，碳排放減少200萬(wàn)噸。
“氫能廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)、石化工業(yè)、浮法玻璃、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天、食品加工等領(lǐng)域。作為一種綠色能源，它的應(yīng)用正在深化。未來(lái)，對(duì)氫氣傳感器的市場(chǎng)需求也將急劇增加?！蓖跷恼f(shuō)。
近年來(lái)，氫傳感器發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多不同技術(shù)原理的商用氫氣傳感器，如電化學(xué)、電學(xué)和光學(xué)。各國(guó)科研機(jī)構(gòu)繼續(xù)投入開(kāi)展氫氣傳感新原理、新技術(shù)研究，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
“聲表面波氫氣傳感器引起了許多研究人員的興趣?！蓖跷恼f(shuō)，許多研究都關(guān)注氫敏材料的設(shè)計(jì)，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。
“但到目前為止，由于氫敏材料的穩(wěn)定性和可靠性，還沒(méi)有商業(yè)化的聲表面波氫氣傳感器?！蓖跷恼f(shuō)。
然而，隨著碳達(dá)峰碳中和工作的深入推進(jìn)，未來(lái)高靈敏度氫氣傳感器將“大顯身手”。
王文對(duì)新型聲表面波氫氣傳感器的應(yīng)用前景非常有信心?！拌b于聲表面波氫氣傳感器具有快速、靈敏度高、功耗低、體積小、成本低等特點(diǎn)，一旦完成工程化，在氫能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景?！?/span>
由于國(guó)內(nèi)各地氫能政策的陸續(xù)出臺(tái)，可能會(huì)開(kāi)啟一波氫能應(yīng)用潮，解決氫燃料電池“卡脖子”技術(shù)刻不容緩，2月24日下午3點(diǎn)，由氫啟未來(lái)網(wǎng)主辦的氫能大咖分享匯特邀深圳市通用氫能科技有限公司－大區(qū)銷售總監(jiān)肖鵬永，與您一起討論氫燃料電池核心材料國(guó)產(chǎn)化。
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