Amerykanie opracowali podstawy technologii budowy szybkich detektorów wodoru

Amerykanie opracowali podstawy technologii budowy szybkich detektorów wodoru

Najnowsze badania amerykańskich naukowców dowodzą, że substancja, używana jako powłoka zabezpieczająca przed deszczem okna samolotów i samochodów, poprawia także znacząco czułość i czas reakcji czujników wodoru. Technologia wodorowych źródeł energii, będąca obecnie w fazie aktywnego rozwoju w Stanach Zjednoczonych, wymaga dokładnych i szybkich detektorów gazu. Są one niezbędne w celu zapewnienia stopnia ochrony, umożliwiającego bezpieczne gospodarowanie tym surowcem. Jedną z podstawowych funkcji tego typu podzespołów, będzie wykrywanie wycieków wodoru ze zbiorników samochodów i stacji benzynowych, dużo wcześniej zanim stężenie gazu osiągnie poziom zagrażający wybuchem.

Odkrycie zostało dokonane przez badaczy z Argonne National Laboratory i Northern Illinois University. Naukowcy zanotowali, że ulepszony czujnik wykazuję niesłychanie szybką odpowiedź na obecność wodoru, co więcej, uzyskano powtarzalne wyniki w wielu setkach cykli pomiarów laboratoryjnych.

Materiał, z którego zbudowane są nowe czujniki jest wytwarzany poprzez rozmieszczanie cienkiej, nieciągłej warstwy palladu na szklanej powierzchni pokrytej mazistym monomolekularnym związkiem o nazwie siloksan. Dodanie tego ostatniego składnika spowodowało, że znacząco poprawiła się dynamika czujnika. Dostępne obecnie detektory mają czas reakcji rządu kilku sekund - przy dwuprocentowym udziale wodoru w powietrzu. Natomiast nowopowstałe urządzenie jest w stanie przeprowadzić pomiar w ciągu dziesięciu milisekund. Dodatkową zaletą nowych detektorów jest ich zwiększona czułość, jak się okazało, są one w stanie wykrywać gaz w stężeniu 25 ppm (cząstek wodoru/ milion cząstek rozpuszczalnika, np. powietrza), co stanowi duży margines bezpieczeństwa, gdyż najniższe stężenie wodoru, które może zagrażać wybuchem wynosi około 40 tysięcy ppm.

Pallad naniesiony na czystą szklaną powierzchnię tworzy na niej kropelki, które rozlewają się w miniaturowe kałuże o grubości kilku nanometrów i rozpiętości dziesiątek nanometrów. Pokrycie szkła tłustym siloksanem, powoduje z kolei, iż pierwiastek tworzy w nanoskali struktury podobne do kropel wody na masce świeżo nawoskowanego samochodu, przez co rozlane krople są mniejsze i mają rozpiętość rzędu paru nanometrów. W wyniku tego zabiegu uzyskuje się dużą ilość małych obszarów substancji, rozproszonych po całej powierzchni czujnika. Detekcja wodoru obywa się dzięki zdolności palladu do selektywnej absorpcji gazu i formowania struktur chemicznych zwanych wodorkami palladu. Mają one tą cechę, że podczas powstawania – w miarę wzrostu zaabsorbowanego wodoru - zwiększają zajmowaną przez siebie powierzchnię, przez co stykają się ze swoimi sąsiadami i w ten sposób ułatwiają przepływ prądu elektrycznego. Takie zjawisko, w makro skali skutkuje zmniejszeniem się rezystancji czujnika, która w łatwy sposób może zostać zarejestrowana.

Naukowcy poświęcili blisko rok na optymalizację procesu wytwarzania powłoki z palladu na powierzchni szkła pokrytego siloksanem, w tym czasie opracowali również system wtryskiwania wodoru, który pozwala przetestować czujnik w czasie kilku milisekund. Badacze twierdzą, że technologia wytwarzania detektorów jest w łatwo skalowalna i przygotowana pod kątem przyszłej implementacji przemyśle. Dodatkowym atutem podzespołu powinna być jego cena, gdyż zużycie bardzo drogiego metalu, jakim jest pallad, będzie w przypadku opracowanej przez naukowców technologii tak niewielkie, że koszt surowca nie wpłynie znacząco na cenę czujnika.