Delftse onderzoekers ontwikkelen veelzijdige waterstofsensor

De vinding is gepubliceerd in Advanced Functional Materials.

Momenteel wordt waterstof meestal gedetecteerd met relatief grote en dure apparaten, die zowel zuurstof als elektriciteit nodig hebben. De combinatie van zuurstof, waterstof en elektriciteit kan gevaarlijk zijn, wat de sensoren eigenlijk voor veel toepassingen ongeschikt maakt.

Optische waterstofsensoren hebben deze nadelen niet. Dit soort sensoren zijn gebaseerd op het feit dat de optische eigenschappen van sommige materialen veranderen wanneer ze waterstof absorberen op het moment dat er waterstof aanwezig is in de nabijheid van de sensor. Die verandering in optische eigenschappen kun je bijvoorbeeld meten door te kijken naar de hoeveelheid licht die het materiaal reflecteert. De kunst is daarbij om een sensormateriaal te vinden dat geleidelijk meer waterstof opneemt naarmate de hoeveelheid waterstof in de omgeving toeneemt.

De sensormaterialen die tot nu toe bekend zijn, hebben allemaal zo hun beperkingen. Ze kunnen bijvoorbeeld alleen relatief grote hoeveelheden waterstof meten, reageren traag, functioneren alleen bij hoge temperaturen (>90 °C) of zijn moeilijk te maken. De Delftse sensor, op basis van tantaal en palladium, heeft deze nadelen niet: hij kan waterstof nauwkeurig detecteren bij zowel kamertemperatuur als hogere temperaturen en in hele kleine en grote hoeveelheden.

In hun zoektocht naar het beste sensormateriaal voor een optische waterstofsensor hebben de onderzoekers een breed scala aan onderzoekstechnieken gebruikt. "Naast optische metingen gebruiken we röntgen- en neutronenstraling geproduceerd bij onze eigen onderzoeksreactor in Delft om de materialen beter te begrijpen", aldus Lars Bannenberg. "Door de metingen leren we de materialen te begrijpen, waardoor we de eigenschappen van de materialen kunnen verbeteren. We maken hierbij bijvoorbeeld gebruik van het feit dat materialen zich net wat anders gedragen dan we gewend zijn als ze heel dun worden gemaakt. In de sensor zit dus uiteindelijk maar een laagje materiaal dat dunner is dan een duizendste van een haar."

Zeven ordes van grootte

Bijzonder aan het materiaal is dat het waterstof kan meten over tenminste zeven ordes van grootte in druk. Dat is zoiets als een weegschaal die zowel een gram bloem kan meten, als het gewicht van een olifant, en dat alles met dezelfde relatieve nauwkeurigheid. De sensor is daardoor breed toepasbaar. Hij is geschikt om de kleinste lekkages van waterstof te meten bij bijvoorbeeld een waterstoftankstation, maar ook om de hoeveelheid waterstof in een waterstoftank te bepalen.

Bijzonder is ook de snelheid. Het sensormateriaalreageert in een fractie van een seconde op een verandering in de hoeveelheid aanwezige waterstof, veel sneller dan de meeste materialen met responstijden van soms wel tientallen seconden of zelfs minuten. Dat dit allemaal kan met één materiaal was voor het team zelf ook een grote verassing: "We dachten wel dat we de huidige materialen enigszins konden verbeteren, maar dat ons materiaal over al deze nuttige eigenschappen zou beschikken hadden we niet durven dromen."

Patent en plannen

Er is patent aangevraagd. In de nabije toekomst wil het team uitzoeken of het materiaal ook gebruikt kan worden in sensoren die geschikt zijn voor hele lage temperaturen (-50 °C), zodat ze ook in vliegtuigen kunnen worden gebruikt. "Daarnaast kijken we naar de mogelijkheid om een prototype te bouwen dat ook buiten het lab werkt. En we willen kijken of de sensoren gebruikt kunnen worden in waterstofbrandstofcellen."