氢可实现氢的二阶响应加入名为“安全卫士”的新型传感器

SAW氢传感器的技术优势是快速响应和高灵敏度。表面声波(SAW)技术本身表现出极高的灵敏度和对表面负载的快速响应。结合具有特定选择性的氢气敏感材料，利用传感过程中气体吸附对声表面波传播的影响，可以实现对氢气的快速、高灵敏检测。

氢能作为一种清洁能源，在促进节能减排、调整能源产业结构、应对全球气候变化等方面具有广阔的应用前景。

但是，使用氢气有一个“痛点”。氢气本身易燃易爆，无色无味，导致氢气泄漏时难以被察觉，积聚后容易引发安全事故。为了更好地开发和利用氢能，快速、高灵敏度的氢气传感技术是必不可少的。

最近传感器领域的重要期刊《Sensors and Actuators B:Chemical》发表了一篇重要论文，展示了氢气传感技术的新进展。中国科学院声学研究所超声学实验室王文研究员带领课题组，在前期工作的基础上，与南开大学杨大池教授合作，将微纳声表面波器件技术与Pd-Ni纳米线氢敏材料相结合，提出并研制了一种二阶响应、高灵敏度、低检出限的新型声表面波氢传感器。

目前氢传感技术难以满足实际需要。

2019年盛夏，20天内全球发生了三起与氢气相关的爆炸。韩国一个氢燃料储罐发生爆炸；美国某化工厂储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸起火；挪威奥斯陆郊外的一个加氢站发生爆炸。

如何安全利用氢气这种绿色清洁能源，已成为人们关注的焦点。

王文告诉科技日报记者：“氢气易燃易爆。当空气中氢气的浓度在4%-75%范围内时，容易发生爆炸，氢气泄漏导致的安全事故时有发生。因此，在使用氢能时，实时监控是必要的，氢气传感器成为氢能应用中必不可少的关键部件。”

目前典型的氢气传感技术有催化、热导、电化学、电阻和光学。王文介绍，这些方法各有利弊。

催化传感器可以稳定、快速地检测浓度小于4%的氢气，但对可燃气体的选择性差，易受抑制剂影响，需要较高的工作温度，难以满足氢能应用领域极高的安全性和可靠性要求。

热导传感器可以在较大范围内(约20秒内)实现相对快速的氢气传感，但传感精度不高。会对高热导率的气体造成交叉敏感，如氦气、甲烷、一氧化碳等气体，很难检测到浓度低于1%的氢气。

电化学传感器可在室温下工作，灵敏度高，但响应速度慢(约70秒内)，使用寿命短。电阻式传感器虽然可以实现秒级快速氢气传感，但一般需要高温工作环境(300至800)，选择性差，易中毒。

光学传感器的优点是传感装置抗电磁干扰能力强，相对安全，灵敏度高，测量精度高，可实现实时响应。但是传感器体积大，整个系统复杂，成本高。

2007年，美国能源部制定了汽车和固定电源系统中氢检测的性能指导要求。其中，最关键的一条表示氢气传感器的性能要求是——。响应速度和恢复速度要求在一秒以内，范围要求为0.1-10 vol%。然而，现有的氢传感器很难满足这一要求。

“目前，氢气传感技术在响应速度、应用范围和安全性方面难以满足氢气泄漏监测的实际需求，迫切需要开发新的氢气传感技术和方法

事实上，声学气体传感技术是声学领域的一个重要发展方向，王文和他的同事们对其前沿动态并不陌生。他和他的同事们一直在这一领域深耕细作，在特定气敏材料响应机理、多效应耦合声表面波气敏效应、高性能声表面波气敏元件优化等方面的研究取得了重要进展。

为了满足氢能发展的实际需要，研制更灵敏的氢传感器，王文和他的研究小组加快了攻关步伐。他们找到了南开大学杨大池教授团队，这个团队对氢敏材料有很深的研究。

双方一拍即合。“自2016年以来，我们一直与杨大池教授的团队合作，开发一种新型的声表面波氢传感器。”王文说，中科院声学研究所的声表面波技术研究在国内处于优势地位，而南开大学在氢敏材料研究方面有多年积累。双方希望通过将表面声波器件技术与钯基纳米材料(一种氢敏感材料)相结合，探索快速氢传感的新方法，解决现有氢传感技术面临的技术难题。

"声表面波氢传感器的技术优势是快速响应和高灵敏度."王文解释说，声表面波技术本身显示出极高的灵敏度和对表面负载的快速响应。将其与具有特定选择性的氢敏材料相结合，利用传感过程中气体吸附对声表面波传播的影响，可以实现对氢气的快速、高灵敏检测。

"此外，声表面波氢传感器具有良好的重复性和选择性，并且体积小、成本低."王文说。

尽管思路和目标非常明确，但王文和他的研究团队在研究过程中仍然遇到了困难。“我们面临两个技术难点，一是钯基氢传感器的响应机理和设计方法，二是高性能声表面波氢传感器的设计和制备。”

王文告诉记者，他们通过讨论和各种实验解决了这个问题。例如，通过探索钯基材料和纳米调控机理，确定了纳米线的制备方法。建立优化传感器功能结构的分析方法。

最后，该团队成功开发了一种新的声表面波氢传感器样机。

王文高兴地说，“样机测试结果很好，验证了最初的设计想法。新型声表面波氢传感器实现了氢检测的快速响应、高灵敏度和低检测限。”

在氢能领域具有广阔的应用前景。

作为一种新兴能源载体和化工原料，氢气具有来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点，与太阳能、风能等被称为九大新能源，并被誉为最具发展前景的二次能源。

据不完全统计，截至目前，已有北京、河北、四川、山东等超过30个地方陆续出台了涉及氢能产业发展的政策及相关规划。根据《北京市氢能产业发展实施方案（2021—2025年）》，2025年前，京津冀区域累计实现氢能产业链产业规模1000亿元以上，减少碳排放200万吨。

“氢能在电子工业、汽车业、冶金工业、石油化工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天、食品加工等方面都有广泛应用，作为一种绿色能源，它的应用程度在不断深化。未来，氢气传感器的市场需求也将急剧增加。”王文说。

近年来，氢气传感器得到了飞速发展，涌现了诸多如电化学、电学式及光学式等不同技术原理的商用氢气传感器。各国科研院所持续投入力量开展氢气传感的新原理新技术研究，以期满足实际应用的需求。

“声表面波氢气传感器引起了很多科研人员的兴趣。”王文表示，不少研究聚焦氢敏材料设计，取得了不错的试验效果。

“但迄今为止，因为氢敏材料存在稳定性与可靠性方面的技术难题，还没有出现商业化的声表面波氢气传感器。”王文说。

不过，随着碳达峰碳中和工作深入推进，未来，高灵敏氢气传感器将“大显身手”。

王文对新型声表面波氢气传感器的应用前景很有信心。“鉴于声表面波氢气传感器具备现有技术难以比拟的快速、高灵敏、低功耗、小体积与低成本等特点，一旦完成工程化，在氢能领域极具应用前景。”