超靈敏的光學傳感器可降低氫氣的風險

在追求清潔和可再生能源的過程中，氫氣發揮著重要作用。但這一轉變所面臨的一個主要挑戰是，這種氣體與空氣混合時具有爆炸性。出于這個原因，能夠盡早發現氫氣的泄漏是至關重要的。現在，查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology)、阿姆斯特丹自由大學（Vrije Universiteit Amsterdam）和埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology）的研究人員已經開發出一種光學傳感器，可以檢測到創紀錄的低濃度氫氣泄漏。

氫氣被視為重型運輸部門去碳化的一個重要部分，世界各地正在開發和部署以氫氣為動力的火車、卡車和飛機。即使在重工業中，氫氣也被認為是非常重要的，例如用于生產無化石的鋼鐵。

儲存或使用氫氣的風險是眾所周知的。在空氣中只需要4%的氫氣就能形成爆炸性混合物，只要一點火花就能點燃。因此，重要的是要有超靈敏的傳感器來監測氫氣泄漏并在關鍵時刻發出警報。

氫氣使用中安全是最重要的

瑞典查爾姆斯理工大學物理系的研究人員與荷蘭同事一起，開發出一種光學氫氣傳感器，可以檢測到創紀錄的低濃度氫氣泄漏。因此該款傳感器加入了世界上最靈敏的傳感器行列。新的研究成果在Nature Communications上發表了一篇文章。

文章的主要作者之一，查爾姆斯理工大學教授Christoph Langhammer說：“在所有氫氣的使用和儲存中，安全是最重要的。如果氫氣在泄漏早期被發現，它們可以被修復，這樣你就有希望不必讓工廠或車輛停止使用”。

AI技術引領潮流

光學氫氣傳感器由許多金屬納米粒子組成，它們一起工作以檢測周圍環境中的氫氣。如何設計新的傳感器的方法與以前的做法不同。研究人員沒有生產大量的樣品并對它們進行單獨測試，看哪一個效果最好，而是利用先進的人工智能技術，根據顆粒之間的距離、直徑和厚度，創造出最佳的互動。其結果是一個能夠檢測到小至幾十萬分之一的氫氣濃度變化的傳感器應運而生。

新傳感器的低檢測極限背后的秘密是顆粒在表面上的規則排列和它們的微調尺寸的結合。事實證明，這比以前同類型的傳感器中使用的隨機顆粒排列更有利于傳感器的靈敏度。

Christoph Langhammer的研究小組此前已經研發出世界上最快的氫氣傳感器。對他們來說，很明顯，需要許多不同類型的傳感器，而且必須針對具體應用進行優化。

Christoph Langhammer說：“圍繞氫氣的技術已經有了巨大的飛躍，因此今天的傳感器需要更加精確，并為不同的目的量身定做。有時需要一個非常快速的傳感器，有時需要一個在惡劣的化學環境或低溫下工作的傳感器。一個單一的傳感器設計不能滿足所有的需求”。

光學氫氣傳感器如何工作

研究人員開發的傳感器是基于一種光學現象，即等離激元，當金屬納米粒子捕獲光線時發生等離激元，并使粒子具有明顯的顏色。如果納米粒子是由鈀或鈀合金制成的，那么當周圍的氫氣量發生變化時，它們的顏色就會發生變化，如果氫含量達到臨界水平，傳感器就會觸發警報。

為了找到傳感器中粒子的表面排列和幾何形狀的最佳組合，研究人員使用了一種稱為粒子群優化的人工智能算法，以達到對暴露于氫氣的最高靈敏度。結果證明，將粒子按非常精確的規則模式放置就是答案。

在人工智能設計的基礎上，優化的光學氫氣傳感器被制造出來，并被驗證是第一個在 “十億分之一 ”范圍內（250 ppb）光學檢測氫氣的產品。

圖 通過粒子群優化找到具有最高品質因數 (FoM) 的傳感器參數