ExpertenTesten.de
Forschern der Jinan-Universität ist es gelungen, einen kostengünstigen Wasserstoffsensor zu entwickeln, der eine hohe Empfindlichkeit im ppm-Bereich aufweist. Diese bahnbrechende Technologie eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich von Wasserstofffahrzeugen und Batteriespeichersystemen.
Hohe Nachfrage nach Wasserstoff
In den letzten Jahren hat die Wasserstoffindustrie zunehmend an Bedeutung gewonnen. Neben den beliebten Anwendungsbereichen wie Wasserstofffahrzeugen und Wasserstoffbrennstoffzellen hat Wasserstoff auch in der chemischen Industrie, der Luftfahrt und der Halbleiterindustrie breite Anwendung gefunden. Es gibt sogar einen speziellen Begriff für diese Entwicklung – die „Wasserstoffwirtschaft“.
Wichtigkeit und Gefahren von Wasserstoff
Wasserstoff ist sowohl äußerst wichtig als auch äußerst gefährlich. Es ist leicht entzündbar, explosiv und undichter Wasserstoff ist äußerst schwer zu erkennen. Ein Beispiel für die Gefahr von Wasserstofflecks ist die Explosion des Fukushima-Kernkraftwerks in Japan. Daher werden in allen Phasen der Wasserstofferzeugung, -transport, -speicherung und -nutzung Wasserstoffsensoren benötigt. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Detektion müssen solche Sensoren hohe Empfindlichkeit, Integration, geringe Verzögerungszeiten und niedrige Kosten aufweisen.
Herausforderungen bei der Wasserstofferkennung
In der gasoptischen Sensortechnik wird häufig die Technologie der abstimmbaren Laserabsorptionsspektroskopie eingesetzt. Diese Technologie ist jedoch für die Wasserstofferkennung ungeeignet, da Wasserstoff eine sehr schwache Infrarotabsorption aufweist, was die Empfindlichkeit der Detektion verringert. Zudem erfordert diese Technologie teure abstimmbare Laser und Detektoren sowie größere Gaszellen, um Resonanzkammern zu bilden.
Die Verwendung von elektrischen oder elektrochemischen Sensoren zur Wasserstofferkennung erfordert in der Regel eine Spannung und Erwärmung, was zu einer geringeren Empfindlichkeit und längeren Verzögerungszeiten führt. Daher haben diese Sensoren einige Nachteile bei der Anwendung in der Wasserstofferkennung.
Eine bahnbrechende Technologie
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, haben Prof. Chen Qin und Prof. Wen Long von der Jinan-Universität eine neue Wasserstofferfassungstechnologie entwickelt. Diese Technologie integriert Funktionen wie Photokatalyse, optische Sensoren und optische Detektion auf einem einzigen Chip und ermöglicht es, die Abhängigkeit von externen optischen Messgeräten zu überwinden. Sie erzielt eine hohe Empfindlichkeit im ppm-Bereich bei Raumtemperatur und ohne Bias-Spannung.
Dieser neuartige Wasserstoffsensor basiert auf einer Platin-Silizium-Nano-Heterostruktur, wobei Platin ein exzellenter Katalysator für die Spaltung von Wasserstoffmolekülen ist. Die Platin-Nanostruktur regt effektiv die Oberflächenplasmonenresonanz an und erzeugt eine Sensoroberfläche mit lokaler Feldverstärkung und hoher Lichtabsorption. Darüber hinaus kann die Platin-Silizium-Verbindung eine Schottky-Barriere bilden, die die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom ermöglicht.
Funktionsweise des Sensors
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasserstoffsensoren nutzt dieser neue Sensor die katalytischen Eigenschaften von Platin, um Wasserstoffmoleküle an der Oberfläche des Geräts in Wasserstoffatome zu zerlegen. Diese Wasserstoffatome diffundieren zur Platin-Silizium-Grenzfläche und bilden eine Dipolschicht, die einen direkten Einfluss auf den Transport von thermoelektrischen Elektronen hat. Dies ermöglicht einen optischen Wasserstoffsensor, der auf optischen Effekten basiert und direkt auf dem Chip elektrisch ausgelesen werden kann.
„Die Entwicklung dieser Technologie basiert auf einer faszinierenden Entdeckung in der Platin-Silizium-Nano-Heterostruktur. Es war dieser ungewöhnliche physikalische Effekt, der unsere Aufmerksamkeit erregte und uns die Möglichkeit gab, eine hohe Leistungsfähigkeit bei der Wasserstofferkennung zu erreichen“, erklärt Prof. Chen Qin.
Anwendungsmöglichkeiten und zukünftige Entwicklungen
Die integrierte Sensortechnologie, die auf Photokatalyse, optischer Sensing und optischer Detektion basiert, bietet Vorteile wie hohe Effizienz, Integration und niedrige Kosten. Daher wird erwartet, dass sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird.
Prof. Chen Qin betont: „Unser Team führt sowohl grundlegende Forschung als auch branchenspezifische Projekte durch. Mein Ansatz besteht darin, Probleme aus der Praxis zu erforschen und klare Anwendungsrichtungen zu haben. Ich bin immer daran interessiert, das Potenzial neuer Theorien und Mechanismen zu erforschen sowie die Herausforderungen neuer Technologien in der Anwendung zu lösen.“
Mit der rasanten Entwicklung der Wasserstoffindustrie sind hochsensible, schnelle, integrierte und kostengünstige Wasserstoffsensoren von enormer Bedeutung. Ob es sich um Wasserstofffahrzeuge, Wasserstoffbrennstoffspeicherstationen, Stromnetze oder Kernkraftwerke handelt, Prof. Chen Qin hofft, dass ihre Technologie in Zukunft in all diesen Bereichen zum Einsatz kommen wird.
Ein Durchbruch in der optischen Sensortechnik
Prof. Chen Qin und sein Team konzentrieren sich seit einigen Jahren auf die Forschung im Bereich der optischen Sensortechnik. Ihr Ziel ist es, die Abhängigkeit von externen optischen Messgeräten und Systemen zu überwinden.
Im Jahr 2019 haben sie erstmals einen optischen Sensor vorgestellt, der vollständig auf einem optischen Sensorchip basiert und keine externen optischen Messgeräte erfordert.
Der optische Sensorchip basiert auf einer speziellen optischen Sensortechnologie, die die Brechungsindexmessung nutzt. Diese Messung ermöglicht es, die grundlegenden und wichtigsten Eigenschaften optischer Sensoren darzustellen.
Jedoch fehlte es dieser Methode an Selektivität für das zu messende Material und es fehlten spezifische Anwendungsszenarien. Dies führte zu begrenztem Einfluss und Überzeugungskraft für die Industrie und die Verbraucher.
Um dieses Problem zu lösen, entschied das Team um Prof. Chen Qin, ihre Forschung auf Anwendungen zu konzentrieren, die von der Öffentlichkeit stark beachtet werden. Daher wählten sie die Wasserstofferkennung als Forschungsziel.
Wie bereits erwähnt, weist die gängige gasoptische Sensortechnik, insbesondere die abstimmbare Laserabsorptionsspektroskopie, Schwächen bei der Wasserstofferkennung auf. Darüber hinaus haben elektrische oder elektrochemische Sensoren den Nachteil, dass sie Druck und Erwärmung erfordern, was zu geringerer Empfindlichkeit und längeren Verzögerungszeiten führt. Solche Sensoren haben in der Wasserstofferkennung bisher keine optimale Leistung erbracht.
Bei der Recherche fanden sie heraus, dass in den letzten Jahren einige Studien zur optischen Wasserstofferkennung durchgeführt wurden, bei denen die Eigenschaften von palladiumhaltigem Metallhydrid mit Nanooptikeffekten kombiniert wurden.
Diese Vorarbeiten zur optischen Wasserstofferkennung lieferten technische Referenzen für das Team um Prof. Chen Qin, obwohl die Sensitivität der Sensoren im Allgemeinen gering war und eine Abhängigkeit von optischen Detektionssystemen bestand.
Aufgrund dieser Erkenntnisse entwickelten sie einen technischen Ansatz, bei dem eine Palladium-Silizium-Nano-Heterostruktur verwendet wurde, um eine integrierte Funktion von Photokatalyse, optische Sensing und optischer Detektion zu erreichen.
„Ein Großteil der bisherigen Forschung im Bereich optischer Sensoren basierte auf externen teuren und komplexen Messgeräten. Wir wollten einen neuen Weg gehen und eine direkte elektrische Auslesung auf einem Chip ermöglichen“, erklärt Prof. Chen Qin.
Die Experimente zur Herstellung der Nanostrukturen und der optoelektrischen Detektoren verliefen jedoch nicht reibungslos. Die ursprünglichen Geräte zeigten nicht die gewünschte Leistung und es traten sogar Risse aufgrund der Verformung nach der Palladiumhydrierung auf.
Das Forscherteam führte wiederholte Prozesse zur Herstellung und Prüfung der Geräte durch, aber sie konnten die Herausforderungen zunächst nicht überwinden.
Glücklicherweise führte eine unerwartete Änderung zu einem Durchbruch in ihrer Arbeit. „Man könnte sagen, dass dies eine Forschungsleistung ist, die aus dem Müll geholt wurde, da wir kurz davor waren, aufzugeben“, sagt Prof. Chen Qin.
Während der Entwicklung des optischen Wasserstoffsensors verwendeten die meisten Forscher Palladium als Katalysator und extrahierten Sensorsignale aus den optischen Eigenschaften der Wasserstoffhydrierung.
Auch das Team von Prof. Chen Qin begann mit diesem Ansatz und versuchte, die hohe Leistungsfähigkeit eines Wasserstoffsensors auf der Basis von Palladium-Silizium-Heterostrukturen zu erreichen.
„Aber unser Doktorand hat lange Zeit daran gearbeitet, ohne gute Ergebnisse zu erzielen. Zudem neigt Palladium nach der Wasserstoffhydrierung zur Rissbildung, was die praktische Anwendbarkeit der Geräte einschränkt. Mein Student war frustriert und wir haben eine Zeit lang innegehalten und uns auf andere Projekte konzentriert“, sagt Prof. Chen Qin.
Schließlich schlug Prof. Wen Long vor, es mit Platin zu versuchen. „Es war überraschend, dass wir sofort eine erhebliche Verbesserung der Leistung feststellten, die Rissbildung verschwand und die Wiederholbarkeit sehr gut war. Um die Leistung zu testen, haben wir einen kommerziellen Wasserstoffsensor im Wert von über 1000 Yuan gekauft. Der Vergleich zeigte, dass unser Gerät eine bessere Leistung aufweist“, sagt Prof. Chen Qin.
Prof. Chen Qin betont, dass er immer nach wissenschaftlichen Arbeiten strebt, die sowohl wissenschaftliche Durchbrüche als auch praktischen Nutzen bieten. Obwohl diese Leistung noch nicht dieses hohe Niveau erreicht, ist er mit dieser Arbeit sehr zufrieden. Sie hat sowohl eine neue Entdeckung eines Mechanismus als auch eine herausragende Geräteleistung ermöglicht.
„Dies ist nur der Anfang. Einerseits werden wir die Leistung des Wasserstoffsensors aus optischer, elektrischer und materialwissenschaftlicher Sicht weiter verbessern, um eine niedrigere Nachweisgrenze und eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen. Auf diese Weise kann der Sensor sogar in Situationen wie Kernkraftwerken eingesetzt werden“, erklärt Prof. Chen Qin.
Andererseits plant das Team, diese neu entdeckte Mechanik auch für die Erkennung anderer Gase wie kohlenstoffbasierte Gase zu nutzen, um besser auf die „Doppelkohlenstoff“-Strategie des Landes zu reagieren.