Vochtminnende waterstofsensor klaar voor productie

Waterstoftechnologie behoeft sensoren om de vorming van brandbaar oxywaterstofgas te voorkomen bij menging met lucht. En er is nu een compacte sensor die op grote schaal geproduceerd kan worden en zeer geschikt is voor de vochtige omgevingen waar waterstof voorkomt. Hij presteert zelfs beter naarmate de luchtvochtigheid toeneemt.

Overal waar waterstof aanwezig is, zijn veiligheidssensoren nodig om lekken te detecteren en de vorming van brandbaar waterstofgas te voorkomen wanneer waterstof met lucht wordt gemengd. Het is daarom een ​​uitdaging dat de huidige sensoren niet optimaal werken in vochtige omgevingen – want waar waterstof is, is er vaak ook vochtigheid.

Athanasios Theodoridis, promovendus aan de Chalmers University of Technology in Zweden en hoofdauteur van het artikel in het tijdschrift ACS Sensors: “De prestaties van een waterstofgassensor kunnen sterk variëren van omgeving tot omgeving, en vochtigheid is een belangrijke factor. Een probleem is dat veel sensoren trager worden of minder effectief presteren in vochtige omgevingen. Toen we ons nieuwe sensorconcept testten, ontdekten we dat hoe hoger de luchtvochtigheid, hoe sterker de reactie op waterstof werd. Het duurde even voordat we echt begrepen hoe dit mogelijk was.”

De sensor bevat platina-nanodeeltjes. Deze deeltjes fungeren tegelijkertijd als katalysator en sensor. Dit betekent dat het platina de chemische reactie tussen waterstof en zuurstof uit de lucht versnelt, wat leidt tot warmteontwikkeling. Deze warmte zorgt ervoor dat het vocht, in de vorm van een waterfilm op het sensoroppervlak, verdampt.

De hoeveelheid waterstof in de lucht bepaalt hoeveel van de waterfilm verdampt, en het vochtgehalte in de lucht bepaalt de dikte van de film. Het is daarom mogelijk om de waterstofconcentratie te meten door de dikte van de waterfilm te meten. En aangezien de dikte van de waterfilm toeneemt naarmate de lucht vochtiger wordt, neemt de efficiëntie van de sensor in hetzelfde tempo toe.

Het resultaat van dit proces kan worden waargenomen met behulp van plasmonen. De platina-nanodeeltjes absorberen licht en geven het een specifieke kleur. Wanneer de concentratie waterstofgas in de omgeving verandert, veranderen de nanodeeltjes van kleur en bij kritische niveaus geeft de sensor een alarm af.

140 uur, 30 PPM

“We hebben de sensor meer dan 140 uur lang continu blootgesteld aan vochtige lucht. De tests toonden aan dat de sensor stabiel is bij verschillende luchtvochtigheidsniveaus en onder deze omstandigheden betrouwbaar waterstofgas kan detecteren.” aldus Athanasios Theodorid.

Volgens de metingen van de onderzoekers detecteert de sensor waterstof tot 30 ppm, waardoor het een van ’s werelds meest gevoelige waterstofgassensoren is voor vochtige omgevingen.

“Er is momenteel een grote vraag naar sensoren die goed presteren in vochtige omgevingen. Ons nieuwe sensorconcept voldoet ruimschoots aan deze eisen”, aldus Christoph Langhammer, hoogleraar natuurkunde aan Chalmers en een van de oprichters van het sensorbedrijf Insplorion, waar hij nu als adviseur werkzaam is.

Hij erkent ook dat er mogelijk meer dan één type materiaal nodig is om toekomstige waterstofgassensoren in alle soorten omgevingen te laten functioneren. “We verwachten dat we verschillende soorten actieve materialen moeten combineren om sensoren te creëren die goed presteren, ongeacht de omgeving. We weten nu dat bepaalde materialen snelheid en gevoeligheid bieden, terwijl andere beter bestand zijn tegen vochtigheid. We werken er nu aan om deze kennis in de toekomst toe te passen”, zegt Langhammer.