El hidrógeno se está convirtiendo en una opción cada vez más popular a medida que avanzamos hacia la energía limpia. Puede quemarse como un combustible convencional, produciendo sólo agua, y cuando se utiliza en pilas de combustible puede generar electricidad. Sin embargo, a medida que aumentan la producción, el uso y el transporte de hidrógeno, también aumentan las preocupaciones sobre la seguridad. El hidrógeno es altamente inflamable en concentraciones inferiores al 4% y es inodoro e incoloro, lo que dificulta la detección de fugas.
Para abordar estas preocupaciones, investigadores dirigidos por el profesor Yutaka Majima del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo) han desarrollado un sensor que detecta hidrógeno en concentraciones muy bajas con un tiempo de respuesta muy corto. Su estudio fue publicado en la revista. Materiales funcionales avanzados El 5 de noviembre de 2024.
El sensor está hecho de CuO NW policristalino con nanomodelos, que son altamente sensibles al gas hidrógeno, depositado sobre silicio (SiO).2/Si) sustrato con electrodos de platino/titanio. “Trabajamos en litografía por haz de electrones y dos pasos. Situación anterior La oxidación para desarrollar un proceso confiable y reproducible para fabricar sensores de gas de hidrógeno con nanocables y nanoespacios de CuO con nanomodelos de alto rendimiento y con huecos, en comparación con los monocristales independientes convencionales cultivados directamente a partir de fuentes de cobre, es bastante diferente de los nanocables”, dice el profesor. majima
Cuando se expone al gas hidrógeno, el sensor funciona detectando cambios en la resistencia eléctrica de los CuO NW. En el aire, las moléculas de oxígeno se unen a la superficie de CuO NW para formar iones de oxígeno (O2–Oh,–Oh,22-) que crea una capa de portadores de carga positiva (agujeros) cerca de la superficie. Cuando se introduce hidrógeno, reacciona con iones de oxígeno en la superficie de CuO NW para formar agua, lo que reduce la concentración del hueco. Como resultado, los NO se vuelven menos conductores. Al medir el aumento de la resistencia, el sensor puede detectar la presencia y concentración de gas hidrógeno.
Los investigadores mejoraron el rendimiento del sensor introduciendo un paso de pre-recocido en un ambiente rico en hidrógeno, seguido de una oxidación lenta en aire seco. Inicialmente, los NW de cobre (Cu) fabricados tienen baja cristalinidad y forman una capa de óxido de Cu en la superficie, lo que evita la interacción con el oxígeno. El proceso de recocido transforma los Cu NW de una forma de arco rectangular a semicircular, mejorando su cristalinidad. En el siguiente paso de oxidación, los Cu NW se convierten en óxido de cobre. Durante este proceso, los átomos de cobre se difunden hacia afuera para reaccionar con el oxígeno, lo que aumenta el área de superficie de los NW, creando más sitios activos para que el hidrógeno y el oxígeno interactúen con los NW.
Como resultado de estas mejoras, el sensor puede detectar concentraciones de hidrógeno tan bajas como 5 partes por mil millones (ppb), mucho más bajas que las anteriores basadas en CuO.2 Además, el sensor es resistente a la humedad, un inconveniente común de los sensores de gas CuO. El sensor también responde rápidamente, detectando hidrógeno en sólo 7 segundos.
Los investigadores mejoraron aún más el rendimiento del sensor al reducir la separación de nanoespacios entre los electrodos. Una pequeña brecha crea un fuerte campo eléctrico, acelerando el movimiento de los portadores de carga y acelerando la respuesta y recuperación del sensor. Con una resolución de 33 nm, el sensor detectó 1.000 ppm de H.2 En tan solo 5 segundos y vuelta a la línea de base en 10 segundos. “Con este proceso seguiremos desarrollando una amplia gama de sensores de gas y también desarrollaremos sensores para otros gases peligrosos”, afirma el profesor Majima.
Al detectar tempranamente fugas o niveles de gas peligrosos, el sensor puede ayudar a reducir los riesgos y permitir la adopción segura de tecnologías de hidrógeno, apoyando la transición a una economía basada en el hidrógeno.
