Forscher unter der Leitung des Institute of Science Tokyo haben einen hochmodernen Sensor mit Nanostruktur entwickelt, der in der Lage ist, extrem niedrige Wasserstoffgaskonzentrationen schnell zu erkennen und damit einen bedeutenden Fortschritt in der Arbeitssicherheit darstellt.
Wasserstoff, oft als sauberer Kraftstoff der Zukunft gepriesen, gewinnt als nachhaltige Energiequelle schnell an Bedeutung. Trotz seiner vielen Vorteile birgt seine leichte Entflammbarkeit erhebliche Risiken. Um diese Sicherheitsbedenken auszuräumen, hat ein Forscherteam unter der Leitung von Yutaka Majima, Professor am Institute of Science Tokyo, einen revolutionären Sensor entwickelt, der Wasserstoffgas in ultraniedrigen Konzentrationen nahezu augenblicklich erkennen kann. Diese Innovation wurde in einer Studie ausführlich beschrieben. veröffentlicht in der Zeitschrift Advanced Functional Materials.
Der neu entwickelte Sensor besteht aus nanostrukturierten polykristallinen Kupferoxid-Nanodrähten (CuO NWs) und ist mit Platin-/Titanelektroden auf einem Siliziumsubstrat montiert. Mit diesem Aufbau kann der Sensor Wasserstoff in Konzentrationen von nur 5 Teilen pro Milliarde (ppb) erkennen, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber früheren CuO-basierten Sensoren darstellt.
Bemerkenswerterweise kann der Sensor das Vorhandensein von Wasserstoffgas innerhalb von nur 7 Sekunden erkennen und kehrt in nur 10 Sekunden zum Normalzustand zurück.
„Wir haben Elektronenstrahllithographie und zweistufige Ex-situ-Oxidation eingesetzt, um einen zuverlässigen und reproduzierbaren Prozess zur Herstellung von hochleistungsfähigen, nanostrukturierten CuO-Nanodraht-Nanospalt-Wasserstoffgassensoren mit Hohlräumen zu entwickeln, der sich erheblich von herkömmlichen freistehenden einkristallinen CuO-Nanodrähten unterscheidet, die direkt aus Kupferquellen gewachsen sind“, sagte Majima in einem Pressemitteilung.
Die Funktionsweise des Sensors beruht auf der Erkennung von Änderungen des elektrischen Widerstands der CuO-NWs. In der Umgebungsluft haften Sauerstoffmoleküle an der Oberfläche der CuO-NWs, bilden Sauerstoffionen und lösen eine Schicht positiver Ladungsträger oder Löcher in der Nähe der Oberfläche aus.
Wenn Wasserstoffgas vorhanden ist, reagiert es mit diesen Sauerstoffionen an der Oberfläche zu Wasser und verringert so die Lochkonzentration. Dies führt zu einem Widerstandsanstieg innerhalb der NWs, was auf die Anwesenheit von Wasserstoff hinweist.
Um die Leistung des Sensors zu verbessern, führten die Forscher einen Vorglühschritt in einer wasserstoffreichen Umgebung durch, gefolgt von einer langsamen Oxidation in trockener Luft. Dieser Prozess verwandelte die frisch hergestellten Kupfernanodrähte von rechteckigen Formen in halbkreisförmige Bögen und steigerte so ihre Kristallinität. Die Oxidation wandelt die Cu-NWs anschließend in CuO um und reichert die Oberfläche mit Hohlräumen an, die die für die Wechselwirkung von Wasserstoff und Sauerstoff verfügbaren aktiven Stellen erhöhen.
Eine weitere wichtige Verbesserung war, dass das Team den Abstand zwischen den Elektroden auf 33 nm verkleinerte. Diese Verkleinerung verstärkte das elektrische Feld, beschleunigte die Bewegung der Ladungsträger und damit die Reaktion des Sensors. Folglich erkannte der Sensor 1,000 ppm Wasserstoff in nur 5 Sekunden.
Majima betonte das größere Potenzial ihrer Technik und fügte hinzu: „Wir werden mit diesem Verfahren weiterhin eine größere Palette von Gassensoren entwickeln, um auch Sensoren für andere gefährliche Gase herzustellen.“
Diese bahnbrechende Entwicklung verspricht eine Umgestaltung der Wasserstoffsicherheitsprotokolle in industriellen Umgebungen. Indem der Sensor eine frühzeitige Leckerkennung ermöglicht und eine zuverlässige Überwachung des Wasserstoffniveaus gewährleistet, könnte er eine entscheidende Rolle bei der Förderung der sicheren und weit verbreiteten Einführung von Wasserstofftechnologien spielen. Dieser Fortschritt steht im Einklang mit den weltweiten Bemühungen um den Übergang zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft und könnte die Art und Weise revolutionieren, wie Industrien Wasserstoffgas verwalten und handhaben.