氫氣是取代石化燃料的潛力替代能源之一,然而具備高度易燃性,因此如果要發展氫能源經濟,能偵測氫氣的感測器不可或缺。然而到目前為止,氫氣感測器的最大挑戰在於需要較高的溫度才能起作用,而且敏感度較低、反應時間也較緩慢。

而來自荷蘭的台夫特理工大學(Delft University of Technology,TU Delft)研究人員宣稱,他們已經克服上述挑戰,開發了一種以三氧化鎢(ungsten trioxide,WO3)薄層製作的新型感測器,結合了高電阻以及利用鉑金(platinum)催化劑感測氫氣的能力,可以在接近室溫下感測到1pppm的氫氣濃度,而且當氫氣濃度超過100pppm時,反應時間不到1秒。

三氧化鎢的特性之一是晶格結構中包含許多開放空間,因此這種材料很容易摻雜(doped),可藉此導入其他原子來改變其電氣特性。TU Delft的技術論文主要作者Giordano Mattoni表示,三氧化鎢本身是一種絕緣體,「但在摻雜之後,能藉由添加電荷改變材料的顏色,並且將之逐漸轉變成金屬;我們嘗試將氫氣摻雜到三氧化鎢薄膜,看看它是否能成為感測器。」

結果證明是可以的;研究人員首先是利用名為脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition)的方法製作三氧化鎢薄層,如此能在一片基板上一層層單獨沉積該種材料層;Mattoni指出:「利用這種方法,我們製作出厚度僅9奈米的三氧化鎢薄層。」

然後研究人員將鉑金液滴(droplet)放置在三氧化鎢薄層的最上方;鉑金具備一種眾所周知的特性,能扮演將氫分子分離為單個氫原子的催化劑,而研究人員觀察到,那些原子能進入三氧化鎢的晶格,並將之緩慢由絕緣體轉變為金屬。Mattoni指出:「這意味著透過量測材料的電阻,我們能判定環境中的氫氣濃度。」

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研究人員的實驗將三氧化鎢薄膜暴露於不同的環境條件中,包括正常空氣,混合了氫氣的環境,還有真空;而實驗結果可以看出,其電阻與樣本顏色(光學影像顯示)會在暴露於氫氣時改變,但在正常空氣中又會恢復初始狀態
(來源:EE Times)

TU Delft開發的新型氫氣感測器與其他同類感測器最大的不同,就在於能在室溫下使用。「其敏感度比其他市面上的產品更高,在幾分鐘之內就能重複使用;」Mattoni還表示:「此外透過提高或降低感測器溫度,也能根據不同應用來調整其敏感度。」因為該種薄膜能與目前的半導體技術相容,新型氫氣感測器具備大量生產的潛力,研究團隊正準備為此技術申請專利。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Researchers Create Hydrogen Sensor that Works at Room Temperature,by Nitin Dahad)