(Слева) Концептуальный чертеж конструкции копланарного датчика водорода, встроенного в нагреватель. Нанопроволока Pd стабильно подвешена в воздухе даже при ее толщине 20 нм.
(Справа) График работы датчика водорода, работающего в течение 0,6 секунды для водорода в концентрации от 0,1 до 4%.
Фото: ACS Nano (2023 г.). DOI: 10.1021/acsnano.3c06806

По мере распространения экологически чистых водородных автомобилей возрастает и важность датчиков водорода. В частности, сложной задачей остается создание технологии обнаружения утечек водорода за одну секунду. Соответственно, горячей темой стала разработка первого в мире датчика водорода, соответствующего стандартам Министерства энергетики США.

Команда KAIST под руководством доктора Мин-Сын Джо из команды профессора Джун-Бо Юна на кафедре электротехники и электронной техники успешно достигла всех желаемых показателей производительности, соответствуя всемирно признанным стандартам благодаря сотрудничеству с группой исследования материалов в области электромагнитной энергии в Центре исследования фундаментальных материалов Hyundai Motor Company и профессор Мин-Хо Со из Пусанского национального университета.

10 января исследовательская группа объявила, что разработан первый в мире датчик водорода со скоростью менее 0,6 секунды.

Чтобы обеспечить технологию обнаружения водорода, которая будет более быстрой и стабильной, чем существующие коммерческие датчики водорода, команда KAIST в 2021 году вместе с Hyundai Motor Company приступила к разработке датчика водорода следующего поколения. Им это удалось после двух лет разработки. Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

Существующие исследования датчиков водорода в основном сосредоточены на чувствительных материалах, таких как каталитическая обработка или легирование материалов палладия (Pd), которые широко используются в датчиках водорода. Хотя эти исследования показали отличные результаты по определенным показателям эффективности, они не соответствовали всем желаемым показателям эффективности, а коммерциализация была ограничена из-за сложности пакетной обработки.

Электронная микроскопия копланарного датчика водорода, встроенного в нагреватель. 
(Слева) фотография всего устройства. (Вверху справа) Нанопроволока Pd, подвешенная в воздухе. 
(Внизу справа) Поперечное сечение нанопроволоки Pd.
Фото: ACS Nano (2023 г.). DOI: 10.1021/acsnano.3c06806

Чтобы преодолеть эту проблему, исследовательская группа разработала датчик, который удовлетворяет всем показателям производительности, сочетая независимую микро/наноструктуру и технологию обработки на основе материалов из чистого палладия.

Кроме того, с учетом будущего массового производства вместо синтетических материалов были использованы чистые металлические материалы с меньшими ограничениями по материалам, а также был разработан датчик водорода следующего поколения, который можно было бы производить серийно на основе полупроводникового периодического процесса.

Разработанное устройство представляет собой дифференциальное копланарное устройство, в котором нагреватель и чувствительные материалы расположены рядом в одной плоскости, чтобы преодолеть неравномерное распределение температуры существующих газовых датчиков, где нагреватель, изолирующий слой и чувствительные материалы уложены вертикально.

Палладиевый наноматериал, который является чувствительным материалом, имеет полностью плавающую структуру и подвергается воздействию воздуха снизу, максимально увеличивая площадь реакции с газом и обеспечивая высокую скорость реакции. Кроме того, палладиевый чувствительный материал работает при одинаковой температуре по всей площади. Исследовательской группе удалось обеспечить высокую скорость работы, широкую концентрацию датчиков и нечувствительность к температуре/влажности за счет точного управления производительностью чувствительных к температуре датчиков.

Команда оснастила изготовленное устройство модулем Bluetooth, чтобы создать интегрированную систему, которая по беспроводной сети обнаруживает утечки водорода в течение одной секунды. В отличие от существующих высокопроизводительных оптических датчиков водорода, этот датчик очень портативен и может использоваться в различных приложениях, где используется энергия водорода.

(Слева) Обнаружение водорода в режиме реального времени осуществляется с помощью копланарного датчика водорода, встроенного в нагреватель, встроенного в беспроводную связь и приложение для мобильного телефона. 
(Средний) Контроль цикла мигания светодиода в зависимости от уровня концентрации водорода. 
(Справа) Результаты подтверждения эффективности обнаружения в течение 1 секунды в демонстрации утечки водорода в реальном времени.
Фото: ACS Nano (2023 г.). DOI: 10.1021/acsnano.3c06806

Доктор Мин Сын Джо, возглавлявший исследование, сказал: «Результаты этого исследования имеют значительную ценность, поскольку они не только работают на высоких скоростях, превышая пределы производительности существующих датчиков водорода, но также обеспечивают необходимую надежность и стабильность для реального использования и может использоваться в различных местах, таких как автомобили, водородные зарядные станции и дома».

Он также рассказал о своих планах на будущее, сказав: «Благодаря коммерциализации этой технологии датчиков водорода я хотел бы внести свой вклад в продвижение безопасного и экологичного использования водородной энергии».

В настоящее время исследовательская группа работает с Hyundai Motor Company над изготовлением устройства в масштабе пластины, а затем установкой его на модуль автомобиля для дальнейшей проверки характеристик обнаружения и долговечности.