(相關(guān)資料圖)

近日，暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種集成光催化、光傳感、光電探測(cè)功能的氫氣傳感器，探測(cè)極限達(dá)到ppm級(jí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低成本、高集成、零偏壓和室溫工作。相關(guān)研究成果發(fā)表于Light: Science & Applications。

作為一種來(lái)源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，在全球節(jié)能減排、應(yīng)對(duì)氣候變化的大背景下，氫能近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，成為能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)發(fā)展方向。全球主要發(fā)達(dá)國(guó)家都高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)趨于成熟，燃料電池出貨量快速增長(zhǎng)、成本持續(xù)下降，氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯提速。

但是，氫氣易燃易爆，并且在泄漏時(shí)難以被察覺，因此在氫氣的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用等環(huán)節(jié)中極易產(chǎn)生安全事故。為保障開發(fā)利用氫能的安全性，必須要具備快速且高靈敏的氫氣傳感技術(shù)。目前市場(chǎng)上常用的氫氣傳感器以半導(dǎo)體氧化物體系與金屬鈀(鈀合金)體系的電阻型氫氣傳感器為主，只能快速地檢測(cè)到500 ppm以上的氫氣濃度，無(wú)法在泄露的初始階段及時(shí)報(bào)警，且往往需在150 ℃或更高溫度下工作。

為解決這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種光催化-光傳感-光電探測(cè)一體集成的光電型氫氣傳感器。該傳感器利用氫敏金屬等離激元耦合產(chǎn)生的帶內(nèi)躍遷熱電子，一方面可在氫分子/金屬界面增強(qiáng)、加快催化斷鍵反應(yīng)，另一方面可越過(guò)金屬-介質(zhì)-半導(dǎo)體(MIS)肖特基結(jié)勢(shì)壘形成與氫分子濃度相關(guān)的光電流信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單片集成的高靈敏、低延時(shí)的氫氣傳感。更有趣的是，該技術(shù)的高靈敏性還得益于氫氣環(huán)境下MIS結(jié)界面多物理機(jī)理協(xié)同作用，通過(guò)氫誘導(dǎo)界面極化層的熱電子輸運(yùn)調(diào)制效應(yīng)使器件可在0 V偏壓下獲得極高的響應(yīng)開關(guān)比。

我國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，國(guó)內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢(shì)，已初步掌握氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。但總體看，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，需要在技術(shù)裝備水平方面加強(qiáng)創(chuàng)新，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。暨南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果為氫氣檢測(cè)提供了低成本且高靈敏度的解決方案，在氫能汽車、氫燃料電池存儲(chǔ)站等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，能夠推動(dòng)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

研究人員表示，下一步將從光學(xué)、電學(xué)和材料學(xué)角度出發(fā)，進(jìn)一步提升氫氣傳感器的性能，以便達(dá)到更低的檢測(cè)極限、以及更快的響應(yīng)速度，使傳感器在核電站這種級(jí)別的場(chǎng)景都有用武之地。另一方面，研究團(tuán)隊(duì)還打算把本次發(fā)現(xiàn)的新機(jī)制用于碳基氣體等其他氣體的檢測(cè)，以便更好地適應(yīng)國(guó)家的“雙碳”戰(zhàn)略。

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