Vätgas används allt mer inom industri och transporter, men är svår att övervaka i fuktiga miljöer. Nu har forskare vid Chalmers utvecklat en ny typ av vätgassensor som blir mer effektiv ju högre luftfuktigheten är.
Överallt där vätgas hanteras krävs säkerhetssensorer som snabbt kan upptäcka läckor och förhindra att brandfarlig knallgas bildas vid kontakt med luft. De sensorer som finns idag fungerar inte optimalt i fuktiga miljöer. Nu har forskare vid Chalmers tagit fram en fuktvänlig sensor.
– En vätgassensors prestanda kan skifta drastiskt från miljö till miljö, och fukt är en viktig aspekt. Ett problem i dag är att många sensorer blir långsammare eller fungerar sämre i fuktiga miljöer, säger Athanasios Theodoridis, doktorand vid Chalmers, i ett pressmeddelande.
– När vi testade vårt nya sensorkoncept upptäckte vi att ju mer vi ökade fuktigheten, desto starkare blev vätgasresponsen. Det tog oss ett tag att verkligen förstå hur det kunde vara möjligt, fortsätter han.
Vätgas på frammarsch
Vätgas blir en allt viktigare energibärare, inte minst inom transportsektorn, kemisk industri och produktion av grönt stål. Förutom den naturliga luftfuktigheten bildas vatten när vätgas reagerar med syre och energi frigörs, exempelvis i bränsleceller för fordon och fartyg. Bränsleceller kräver dessutom vatten för att deras membran inte ska torka ut.
Även anläggningar för produktion och lagring av vätgas exponeras för omgivande luft, där fuktigheten varierar med väder och temperatur. För att förhindra att vätgasläckor leder till brandfarlig knallgas krävs därför tillförlitliga sensorer som fungerar även i tuffa miljöer.
Sensor får fukten att ”koka bort”
Den nya fukttåliga sensorn från Chalmers ryms på en fingertopp och bygger på nanopartiklar av platina. Partiklarna fungerar både som katalysatorer och sensorer. Det innebär att platinan påskyndar den kemiska reaktionen mellan väte och syre från luften vilket leder till en värmeutveckling som får fukten, i form av en vattenhinna på sensorytan, att ”koka bort”.
Hur mycket av vattenhinnan som försvinner beror på vätgashalten, medan luftfuktigheten avgör hur tjock hinnan är. Genom att mäta förändringar i vattenhinnans tjocklek kan sensorn därför avgöra koncentrationen av vätgas – och blir samtidigt effektivare ju fuktigare miljön är.
Förändringarna läses av optiskt genom så kallade plasmoner. När vätgashalten ökar ändrar platinapartiklarna färg och sensorn kan slå larm vid kritiska nivåer.
– Vi testade sensorn under mer än 140 timmars kontinuerlig exponering för fuktig luft. Testerna visade att den är mycket stabil vid olika givna grader av fuktighet, och pålitligt kan detektera vätgas i dessa förhållanden, vilket är viktigt om den ska kunna användas i verkliga miljöer, säger Athanasios Theodoridis.
Energiomställningen ökar kraven på sensorerna
Enligt forskarnas mätningar upptäcker sensorn vätgas ner till ”parts per million”-intervallet: 30 ppm – alltså tre tusendelar av en procent, vilket gör den till en av världens känsligaste vätgassensorer i fuktiga miljöer.
– Det finns idag en stor efterfrågan på sensorer som fungerar bra i fuktiga miljöer. I takt med att vätgasen spelar en allt viktigare roll i samhället ställs högre krav på att sensorerna också behöver bli mindre, smidigare och möjliga att tillverka i stor skala och till lägre pris. Vårt nya sensorkoncept möter de kraven väl, säger Christoph Langhammer, professor i fysik på Chalmers.
Olika material kan behövas
Han ser också att det kan krävas mer än en typ av material för att framtidens vätgassensorer ska kunna fungera i alla typer av miljöer.
– Vi räknar med att behöva kombinera olika typer av aktiva material för att skapa sensorer som presterar väl oavsett miljö. Vi vet nu att vissa material ger snabbhet och känslighet, medan andra material tål fukt bättre. Nu arbetar vi vidare för att använda den kunskapen framåt, säger Christoph Langhammer.
Vetenskaplig artikel:
A Catalytic-Plasmonic Pt Nanoparticle Sensor for Hydrogen Detection in High-Humidity Environments, ACS Sensors
