快速和准确的传感器对于氢是能源载体的可持续社会至关重要。氢气是由水产生的，水是借助风力或太阳能发电而分解的。无论是在产生氢气还是在使用氢气时，例如在由燃料电池驱动的汽车中，都需要传感器。为了避免在氢气与空气混合时形成易燃易爆气体，氢气传感器需要能够快速检测泄漏。图片来源：Yen Strandqvist /卡尔默斯理工大学

氢是一种清洁，可再生的能源载体，可以将水作为唯一的排放源来为车辆提供动力。不幸的是，氢气与空气混合时极易燃烧，因此需要非常高效的传感器。现在，来自瑞典查尔默斯理工大学的研究人员展示了首款能够满足未来氢动力汽车性能目标的氢传感器。

研究人员的开创性结果最近发表在著名的科学杂志《自然材料》上。发现是一种封装在塑料材料中的光学纳米传感器。该传感器根据一种光学现象（等离子激元）工作，这种现象在金属纳米粒子被照亮并捕获可见光时发生。当环境中的氢气量发生变化时，传感器只会改变颜色。

的塑料周围的微小传感器不只是为了保护，但作为一个关键组成部分。通过加速氢气分子被吸收到金属颗粒中的位置（可以检测到它们），它增加了传感器的响应时间。同时，塑料可作为对环境的有效屏障，防止任何其他分子进入并使传感器失活。因此，该传感器可以高效且不受干扰地工作，使其能够满足汽车行业的严格要求-能够在不到一秒钟的时间内检测到空气中0.1％的氢。

“我们不仅开发了世界上最快的氢传感器，而且还开发了随时间推移稳定且不会失活的传感器。与当今的氢传感器不同，我们的解决方案不需要经常校准，因为它受到塑料的保护，查尔莫斯大学物理系研究员费里·努格罗霍（Ferry Nugroho）说。

瑞典查尔默斯工业大学的研究人员展示了首款能够满足未来氢动力汽车性能目标的氢传感器。图片来源：MiaHallerödPalmgren /查尔默斯理工大学

那是在他担任博士学位期间 费里·努格罗霍（Ferry Nugroho）和他的上司克里斯托夫·朗汉默（Christoph Langhammer）意识到这一点。在阅读了一篇科学文章，指出尚无人能成功满足未来氢汽车对氢传感器施加的严格响应时间要求之后，他们测试了自己的传感器。他们意识到距目标仅一秒钟，甚至没有尝试对其进行优化。最初主要用作屏障的塑料通过使传感器速度更快而比他们想象的要好。这一发现导致了紧张的实验和理论工作。

“在那种情况下，我们无所不能。我们想找到纳米粒子和塑料的终极组合，了解它们如何协同作用以及使其如此迅速。我们的努力取得了成果。在短短几个月内，我们实现了所需的响应时间，以及对响应时间有基本的理论了解，” Ferry Nugroho说。

检测氢气在许多方面都具有挑战性。气体是看不见的和无味的，但易挥发且极易燃烧。它仅需要空气中的百分之四的氢气即可产生氢氧气体（有时被称为克纳尔气体），该气体会以最小的火花点火。为了使氢汽车和未来的相关基础设施足够安全，因此必须有可能检测空气中极少量的氢。传感器必须足够快，以便在发生火灾之前能够迅速检测到泄漏。

Chalmers物理系教授Christoph Langhammer说：“提出一种有望成为氢动力汽车重大突破的一部分的传感器，真是太好了。我们对燃料电池行业的兴趣正在激发。

微型传感器周围的塑料不仅用于保护，而且是关键组件。通过加速氢气分子被吸收到金属颗粒中的位置（可以检测到它们），增加了传感器的响应时间。同时，塑料可作为对环境的有效屏障，防止任何其他分子进入并使传感器失活。图片来源：Yen Strandqvist /卡尔默斯理工大学

尽管目标主要是使用氢作为能量载体，但该传感器还提供了其他可能性。电力网络行业，化学和核能行业需要高效的氢传感器，并且还可以帮助改善医疗诊断。

克里斯托夫·兰汉默（Christoph Langhammer）说：“我们呼吸中的氢气量可以为炎症和食物不耐症等问题提供答案。我们希望我们的研究结果可以广泛应用。这远远超过了科学出版物。”

从长远来看，希望可以高效地串联制造传感器，例如使用3-D打印机技术。

事实：世界上最快的氢传感器

查默斯开发的传感器基于一种光学现象-等离激元-这种现象在金属纳米粒子被照亮并捕获特定波长的光时发生。

光学纳米传感器包含数百万种钯金合金的金属纳米粒子，这种材料以海绵状吸收大量氢的能力而闻名。当环境中的氢气量发生变化时，等离激元效应会导致传感器改变颜色。

传感器周围的塑料不仅是一种保护，而且还通过促进氢分子更快地穿透金属颗粒并因此被更快地检测到，从而增加了传感器的响应时间。同时，塑料是对环境的有效屏障，因为除氢以外，没有其他分子可以到达纳米颗粒，从而防止了失活。

传感器的效率意味着它能够在不到一秒钟的时间内检测到空气中的0.1％氢，从而可以满足汽车行业设定的严格性能目标，以便将来应用于氢汽车。

该研究是由瑞典战略研究基金会在塑料等离子项目的框架内资助的。