Materialen voor goedkope, betrouwbare, kleine waterstofsensoren

Voor veilig gebruik van waterstof moeten de kleinste lekken zo snel mogelijk kunnen worden opgespoord, want waterstof is onder sommige condities een brandbaar of zelfs explosief gas. Samen met collega’s ontwikkelt Lars Bannenberg (TU/D) materialen voor goedkope, betrouwbare en kleine waterstofsensoren.

Binnen de Faculteit Technische Natuurwetenschappen, waar Bannenberg universitair docent is, wordt al sinds jaar en dag onderzoek gedaan naar metaalhydrides. Dat zijn metalen zoals palladium en tantaal die heel goed waterstof kunnen absorberen. Dat kan bepaalde fysieke eigenschappen veranderen, zoals hoe goed het metaal licht doorlaat of juist reflecteert. “Het idee hiermee een gevoelige, breed toepasbare optische waterstofsensor te kunnen maken (zie kader), zong al een hele tijd rond,” zegt Bannenberg. “Toen tijdens de corona-lockdowns de verschillende laboratoria en meetopstellingen grotendeels vrij waren, zagen mijn collega’s en ik kans eens een experiment aan te wagen.”

Voor een efficiënte werking van hun sensormateriaal besloten ze de twee belangrijkste functies over twee hele dunne lagen te scheiden. “Dat gaf ons veel meer speelruimte qua materialen. We hebben een laag met een tantaal legering die voor het optische contrast zorgt, met daarbovenop een katalytische laag die moleculair waterstof in individuele atomen opknipt. Hierdoor kan onze sensor binnen een seconde de juiste concentratie van waterstof in de omgeving aangeven.”

Zeven ordegroottes

Tot hun verbazing was de eerste poging meteen heel succesvol, al was dat zeker geen toevalstreffer. “De samenstelling van die laag hebben we beredeneerd, op basis van kennis die bij de onderzoekers in onze groep aanwezig is. Zo maken we bijvoorbeeld handig gebruik van het feit dat het materiaal als dunne laag weer andere eigenschappen heeft dan wanneer het een bulkmateriaal is. Daarmee onderdrukken we enkele ongewenste eigenschappen.”

Ze hadden ook direct een detectiebereik van zeven ordegroottes in de concentratie van waterstof in de omgeving – alsof je met een keukenweegschaal ook nauwkeurig een olifant kunt wegen. Dat is veel meer dan huidige sensoren en handig omdat je soms ook echt kleine concentraties wilt kunnen meten. “We kunnen waarschijnlijk zelfs meer dan die zeven ordegroottes, maar dat kan onze lab-apparatuur niet aan,” vertelt Bannenberg niet zonder trots.

Neutronen

Daarna volgden nog veel experimenten om te begrijpen waaróm het werkt en om het materiaal verder te optimaliseren. Daarbij gebruikte het team onder meer de neutronenreflectometer op het TU Delft Reactor Institute. “Met neutronen kun je heel nauwkeurig kleine hoeveelheden waterstof in een materiaal meten. Daarnaast gebruiken we ook Röntgenstraling om te zien hoe geabsorbeerd waterstof de structuur (het kristalrooster) van het materiaal beïnvloedt.”

Tal van voordelen

Waar huidige waterstofsensoren onder andere relatief groot (als bijvoorbeeld een rookmelder) en duur (honderden euro’s) zijn, biedt hun nieuwe materiaal op dit vlak voordelen. “Wij brengen de sensorlaag boven op een glasfiber van nog geen 0,2 millimeter doorsnede aan,” aldus Bannenberg. “En ook al is palladium heel duur, die dunne laag kost maar een paar cent. Een sensor inclusief elektronica voor het uitlezen kost natuurlijk wel meer dan dat.” Met een student elektrotechniek werken ze nu aan zo’n eerste prototype. “Belangrijk daarbij is dat alle voordelen van onze sensor daarbij behouden blijven.”

Zo is het materiaal inherent veilig omdat er geen zuurstof en elektrische stroom dicht bij het sensormateriaal nodig zijn om deze te kunnen uitlezen – wat normaal een risico tot ontbranding met zich meebrengt. Bovendien hoeft de nieuwe sensor in tegenstelling tot huidige sensoren niet regelmatig gekalibreerd te worden. Bannenberg: “Vanuit veiligheidsoogpunt is het niet handig als iets duur is en regelmatig gekalibreerd moet worden.” Verder  zouden de sensoren na vervolgonderzoek ook in brandstofcellen en elektrolysers ingezet kunnen worden, waardoor elektriciteit dus efficiënter en goedkoper omgezet kan worden in waterstof en vice versa.

Waterstofvliegtuigen

De groep heeft voor een hele familie aan sensormaterialen patent gekregen. Ondertussen wordt gewerkt aan diverse toepassingen. “We ontwikkelen nu bijvoorbeeld samen met onderzoekers van de Faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek sensoren voor waterstofvliegtuigen,” zegt Bannenberg. Een grote uitdaging daarbij is dat de sensor zowel bij hele lage als hele hoge temperaturen goed moet werken (van -60 tot 250 graden Celsius). “Omdat alles gecertificeerd moet worden heeft de vliegtuigindustrie liever één sensor. Dat vind ik een leuke puzzel om uit te zoeken.”
    
Ook andere sectoren en bedrijven hebben al interesse getoond tot samenwerking en commercialisering.