瑞典查尔姆斯理工大学研发新光学纳米传感器，为汽车提供动力

日前，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了有史以来第一个满足未来氢动力汽车性能目标的氢传感器。研究人员的突破性成果最近发表在著名的科学杂志《自然材料》上。这一发现是一种封装在塑料材料中的光学纳米传感器。该传感器基于一种光学现象——等离子体——当金属纳米粒子被照亮并捕获可见光时，即被触发。当环境中的氢含量变化时，传感器可以通过改变颜色要预警氢气浓度的变化。氢是一种清洁的可再生能源载体，可以为汽车提供动力，这种能量转换过程中水是唯一的排放物。但不幸的是，氢气与空气混合时极易燃烧，因此需要非常有效的传感器。

微型传感器周围的塑料不仅起到保护作用，而且还起着关键部件的作用。它通过加速氢气体分子进入金属粒子的吸收来增加传感器的响应时间，在金属粒子中可以检测到它们。

同时，塑料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去活力。因此，该传感器既能高效工作，又能不受干扰地工作，使其能够满足汽车工业的严格要求，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，而且还开发了一种随时间稳定且不失活性的传感器。与今天的氢传感器不同，我们的解决方案不需要经常重新校准，因为它受到塑料的保护，”Chalmers物理系的研究员解释到。

研究人员在总结了前人的研究成果后，发现还没有人能够成功地达到对未来氢汽车氢传感器的严格响应时间要求之后，他们测试了自己的传感器。他们意识到离目标只有一秒钟的距离——甚至没有试图优化目标。最初主要用作屏障的塑料，通过使传感器更快，比他们想象的做得更好。这一发现导致了一段紧张的实验和理论工作。

检测氢气在很多方面都具有挑战性。这种气体是看不见的，没有气味，但易挥发，极易燃烧。它只需要空气中4%的氢就可以产生氢氧气体，有时也被称为爆炸气体，这种气体在最小的火花处极易被点燃。为了使氢汽车和未来的相关基础设施足够安全，必须能够检测到空气中极少量的氢。传感器必须足够快，以便在火灾发生前快速检测到泄漏。

“研发成功并展示这种传感器感觉很好，它有望成为氢动力汽车重大突破的一部分。我们对燃料电池工业的兴起令人鼓舞，”查尔姆斯物理系教授克里斯托夫兰哈默说。

虽然其主要目的是利用氢作为能量载体，但传感器也提供了其他可能性。在电网工业、化学工业和核电工业中，高效氢传感器是必不可少的，它还可以帮助改善医疗诊断。

“我们呼吸中的氢气量可以为炎症和食物不耐症提供答案。我们希望我们的研究成果能广泛应用。这不仅仅是一本科学出版物，”克里斯托夫兰哈默说。

从长远来看，研究团队希望这种传感器能够以高效的方式串联生产，例如使用3D打印机技术。

•Chalmers开发的传感器基于一种光学现象——等离子体——当金属纳米粒子被照亮并捕获特定波长的光时发生。

•光学纳米传感器含有数以百万计的钯金合金金属纳米粒子，这种材料以其海绵状的吸收大量氢的能力而闻名。当环境中的氢含量变化时，等离子体效应会使传感器变色。

•传感器周围的塑料不仅是一种保护，而且通过促进氢分子更快地穿透金属颗粒从而更快地被检测到，从而增加传感器的响应时间。同时，塑料对环境起到了有效的屏障作用，因为除了氢以外，没有其他分子能接触到纳米颗粒，从而阻止了失活。

•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0.1%的氢，从而满足汽车工业为未来氢汽车应用设定的严格性能目标。

“用于等离子体超快检测的金属-聚合物混合纳米材料”一文已发表在《自然材料》上，研究结果是与荷兰代尔夫特技术大学、丹麦技术大学和波兰华沙大学合作开发的。