Penyelidik yang diketuai oleh Institut Sains Tokyo telah mencipta sensor bercorak nano canggih yang mampu mengesan kepekatan gas hidrogen ultra rendah dengan cepat, menandakan lonjakan ketara dalam keselamatan industri.
Hidrogen, yang sering dipuji sebagai bahan api bersih masa depan, semakin mendapat daya tarikan sebagai sumber tenaga yang mampan. Walaupun banyak faedahnya, sifat hidrogen yang sangat mudah terbakar menimbulkan risiko yang ketara. Untuk mengurangkan kebimbangan keselamatan ini, satu pasukan penyelidik yang diketuai oleh Yutaka Majima, seorang profesor di Institut Sains Tokyo, telah membangunkan penderia revolusioner yang mampu mengesan gas hidrogen pada kepekatan ultra-rendah hampir serta-merta. Inovasi ini diperincikan dalam satu kajian diterbitkan dalam jurnal Advanced Functional Materials.
Sensor yang baru dibangunkan dibuat daripada wayar nano kuprum oksida polihablur nano (CuO NWs) dan dipasang pada substrat silikon dengan elektrod platinum/titanium. Persediaan ini membolehkan penderia mengesan hidrogen pada kepekatan sekecil 5 bahagian per bilion (ppb), peningkatan yang ketara berbanding penderia berasaskan CuO sebelumnya.
Hebatnya, sensor boleh mengenal pasti kehadiran gas hidrogen dalam masa hanya 7 saat dan kembali kepada keadaan normal dalam masa 10 saat sahaja.
"Kami menggunakan litografi rasuk elektron dan pengoksidaan ex-situ dua langkah untuk membangunkan proses yang boleh dipercayai dan boleh dihasilkan semula untuk menyediakan penderia gas hidrogen CuO nanowire-nanogap berprestasi tinggi bercorak nano dengan lompang, yang jauh berbeza daripada berdiri bebas konvensional. wayar nano CuO kristal tunggal yang ditanam secara langsung daripada sumber tembaga, "kata Majima dalam a Siaran akhbar.
Operasi penderia bergantung pada pengesanan anjakan rintangan elektrik CuO NWs. Dalam udara ambien, molekul oksigen melekat pada permukaan CuO NWs, membentuk ion oksigen dan mencetuskan lapisan pembawa cas positif, atau lubang, berhampiran permukaan.
Apabila gas hidrogen hadir, ia bertindak balas dengan ion oksigen permukaan ini untuk menghasilkan air, seterusnya mengurangkan kepekatan lubang. Ini mengakibatkan peningkatan rintangan dalam NW, menandakan kehadiran hidrogen.
Para penyelidik memperkenalkan langkah pra-penyepuhlindapan dalam persekitaran yang kaya dengan hidrogen, diikuti dengan pengoksidaan perlahan dalam udara kering untuk meningkatkan prestasi sensor. Proses ini mengubah wayar nano kuprum yang baru dibuat daripada bentuk segi empat tepat kepada gerbang separuh bulatan, meningkatkan kehablurannya. Pengoksidaan kemudiannya menukar Cu NWs kepada CuO, memperkaya permukaan dengan lompang yang meningkatkan tapak aktif yang tersedia untuk interaksi hidrogen dan oksigen.
Dalam satu lagi peningkatan ketara, pasukan mengurangkan jurang antara elektrod kepada 33 nm. Pengurangan ini menguatkan medan elektrik, mempercepatkan pergerakan pembawa cas dan dengan itu, mempercepatkan tindak balas sensor. Akibatnya, sensor mengesan 1,000 ppm hidrogen dalam masa 5 saat sahaja.
Menekankan potensi teknik mereka yang lebih luas, Majima menambah, "Kami akan terus membangunkan rangkaian penderia gas yang lebih luas dengan proses ini untuk mengarang penderia untuk gas berbahaya yang lain juga."
Pembangunan terobosan ini memegang janji untuk mengubah protokol keselamatan hidrogen dalam tetapan industri. Dengan memudahkan pengesanan kebocoran awal dan memastikan pemantauan tahap hidrogen yang boleh dipercayai, sensor boleh memainkan peranan penting dalam memajukan penggunaan teknologi hidrogen yang selamat dan meluas. Kemajuan ini sejajar dengan usaha global untuk beralih kepada ekonomi berasaskan hidrogen, yang berpotensi merevolusikan cara industri mengurus dan mengendalikan gas hidrogen.