东方时讯网在追求清洁和可再生能源的过程中，氢发挥着重要作用。但这一转变面临的一个主要挑战是，这种气体在与空气混合时会发生爆炸。因此，能够尽早检测到氢气泄漏至关重要。现在，查默斯理工大学、阿姆斯特丹自由大学和埃因霍温理工大学的研究人员已经开发出一种光学传感器，可以检测到创纪录的低水平氢气。
氢被视为重型运输部门脱碳的重要组成部分，世界各地正在开发和部署氢动力火车、卡车和飞机。即使在重工业中，氢气也被认为非常重要，例如用于生产无化石钢。
储存或使用氢气的风险众所周知。空气中只需要百分之四的氢气就可以形成一种爆炸性混合物(knallgas)，即使是最轻微的火花也能点燃。因此，安装超灵敏传感器以监测临界水平的泄漏和警报非常重要。
氢气使用的安全性至关重要
瑞典查尔姆斯理工大学物理系的研究人员与荷兰同事一起开发了一种光学氢传感器，可以检测到创纪录的低水平氢。因此，它加入了世界上最灵敏的传感器行列。新的研究结果发表在《自然通讯》的一篇文章中。
“在氢的所有使用和储存中，安全是最重要的。如果及早发现泄漏，就可以修复它们，这样你就不必让工厂或车辆停止服务，”Chalmers教授ChristophLanghammer说，科学文章的主要作者之一。
人工智能技术引领潮流
光学氢传感器由许多金属纳米粒子组成，它们协同工作以检测周围环境中的氢。
新传感器的设计方法与以往不同。研究人员没有生产大量样品并单独测试它们以查看哪个效果最好，而是使用先进的AI技术根据颗粒之间的距离、直径和厚度来创建颗粒之间的最佳相互作用。结果是一个传感器可以检测氢浓度的变化，氢浓度变化小至百分之几千分之几。
新传感器低检测限背后的秘密是颗粒在表面上以规则图案排列及其微调尺寸的组合。事实证明，这比以前同类型传感器中使用的随机粒子排列更有利于传感器的灵敏度。
ChristophLanghammer的研究小组此前已经能够展示世界上最快的氢传感器。对他来说，很明显需要许多不同类型的传感器，并且必须针对特定应用对其进行优化。
“围绕氢的技术已经取得了巨大的飞跃，因此今天的传感器需要更加准确并针对不同的目的进行定制。有时需要非常快速的传感器，有时需要在恶劣的化学环境或低温下工作的传感器。A单一传感器设计无法满足所有需求”，ChristophLanghammer说，他也是新能力中心TechForH2的创始人之一。
工业界和学术界就氢开展新的合作
由查默斯领导的新中心汇集了学术界和工业界，以开发新的氢技术，重点是重型运输系统的脱碳。TechForH2由力学和海事科学系的Chalmers教授TomasGrönstedt领导。
“当研究界和行业合并时，它可以把我们带到一个新的水平，这样我们生产的东西就可以应用并满足行业中存在的需求和挑战。这适用于传感器开发，以及与相关的研究使用氢气推动重型车辆或飞机，”TomasGrönstedt说，他提到如果由氢气提供动力，航程为500公里的电动飞机可以将其航程增加到3000公里。
光学氢传感器的工作原理
研究人员开发的传感器基于一种光学现象，等离子体激元，当金属纳米粒子捕获光并赋予粒子独特的颜色时，就会发生这种现象。如果纳米粒子由钯或钯合金制成，当周围的氢含量发生变化时，它们的颜色就会发生变化，如果氢含量达到临界值，传感器就会触发警报。
为了找到传感器中粒子表面排列和几何形状的最终组合，研究人员使用了一种称为粒子群优化的人工智能算法来实现对氢气暴露的最高灵敏度。将粒子放置在一个非常精确定义的规则模式中被证明是答案。
基于AI设计，制造并验证了优化的光学氢传感器是同类产品中第一个在“十亿分之一”范围内(250ppb)光学检测氢的传感器。
新传感器基于一种称为“等离子激元”的光学现象，当金属纳米粒子捕获光并赋予粒子独特的颜色时，就会发生这种现象。当周围环境中的氢含量发生变化并且传感器可以在临界水平触发警报时，这种颜色会发生变化。