- 納米圖案氧化銅傳感器提供快速的超低氫氣檢測
- 來源：東京理科研究所 發表于 2024/12/16
隨著我們轉向清潔能源，氫氣正成為越來越受歡迎的選擇。它可以像傳統燃料一樣燃燒，只產生水作為副產品，用于燃料電池時可以發電。然而，隨著氫氣生產、使用和運輸的增加，安全問題也隨之增加。氫氣在濃度低至 4% 時高度易燃，無味無色，因此難以檢測泄漏。
為了解決這些問題，由東京理科研究所 （Science Tokyo） 的 Yutaka Majima 教授領導的研究人員開發了一種傳感器，可以在非常短的響應時間內檢測超低濃度的氫氣。他們的研究于 5 年 2024 月 <> 日發表在《先進功能材料》雜志上。
該傳感器由納米圖案多晶 CuO NW 制成，這些 CuO NW 對氫氣高度敏感，放置在硅 （SiO2/Si） 襯底。
Majima 教授說：“我們采用電子束光刻和兩步非原位氧化開發了一種可靠且可重復的工藝，用于制備具有空隙的高性能納米圖案 CuO 納米線-納米間隙氫氣傳感器，這與直接從銅源生長的傳統獨立式單晶 CuO 納米線有很大不同。
當暴露于氫氣中時，傳感器通過檢測 CuO NW 的電阻變化來工作。在空氣中，氧分子附著在 CuO NW 的表面，形成氧離子 （O2⁻、O⁻、O22-），從而在表面附近感應出一層正電荷載流子（空穴）。
當引入氫時，它與 CuO NWs 表面的氧離子反應形成水，從而降低空穴濃度。結果，NW 的導電性降低。通過測量電阻的增加，傳感器可以檢測氫氣的存在和濃度。
研究人員通過在富氫環境中引入預退火步驟，然后在干燥空氣中緩慢氧化，從而提高了傳感器的性能。最初，制造的銅 （Cu） NW 具有低結晶度，并在表面形成銅氧化物層，阻礙了與氧的相互作用。退火工藝將 Cu NW 從矩形重塑為半圓形拱形，從而提高其結晶度。
在隨后的氧化步驟中，Cu NW 轉化為氧化銅。在此過程中，銅原子向外擴散與氧反應，產生空隙，增加 NW 的表面積，為氫和氧與 NW 相互作用提供更多活性位點。
由于這些改進，該傳感器可以檢測到低至十億分之 5 （ppb） 的氫氣濃度，遠低于以前基于 CuO 的 H₂ 傳感器。此外，它還耐潮濕，這是 CuO 氣體傳感器的常見缺點。傳感器響應迅速，僅需 7 秒即可檢測到氫氣。
研究人員通過減少電極之間的納米間隙分離，進一步增強了傳感器的性能。間隙越小，電場越強，越快電荷載流子的移動，越快傳感器的響應和恢復速度越快。該傳感器的間隙尺寸為 33 nm，僅需 1 秒即可檢測到 000,5 ppm 的 H₂，并在 10 秒內返回到基線條件。
“我們將繼續利用這種工藝開發更廣泛的氣體傳感器，以制造用于其他有害氣體的傳感器，”Majima 教授說。
通過及早檢測泄漏或不安全的氣體水平，該傳感器可以幫助降低風險并實現氫技術的安全采用，從而支持向氫經濟過渡。
更多信息：Muqing Zhao 等人，帶空隙的納米圖案化 CuO 納米線納米間隙氫氣傳感器，先進功能材料（2024 年）。
DOI： 10.1002/adfm.202415971期刊信息： Advanced Functional Materials
由東京理科研究所提供
- 如果本文收錄的圖片文字侵犯了您的權益，請及時與我們聯系，我們將在24內核實刪除，謝謝！
