氫氣是一種能源載體，有助于解決化石燃料儲備減少、能源供應(yīng)安全和全球變暖的問題。與其他可燃?xì)怏w和蒸氣相比，如甲烷、丙烷或汽油蒸氣等，氫氣具有許多不尋常的特性。其中包括非常低的密度(0.089 9 kg/m)和沸點(diǎn)(20.39 K)以及高擴(kuò)散系數(shù)(空氣中0.61 cm/s)和浮力。就其燃燒特性而言，它的最小點(diǎn)火能量較低(0.017 mJ)、燃燒熱值高(142 kJ/g)和寬可燃范圍(4%～75%)以及高燃燒速度、爆炸靈敏度和點(diǎn)火溫度為560℃。氫氣也可以作為還原劑參與化學(xué)反應(yīng)，對許多材料具有高滲透性，這使得其在某些應(yīng)用中需要特殊的預(yù)防措施，氫能的安全使用和管理越來越受到重視，也是目前亟待解決的問題。

氫氣傳感器是一種檢測氫氣并產(chǎn)生與氫氣濃度成正比的電信號的傳感器裝置。氫氣傳感器比傳統(tǒng)的氫氣檢測方法(氣相色譜儀、質(zhì)譜儀)有幾種優(yōu)點(diǎn)，包括成本低、尺寸小、響應(yīng)快。近幾十年來，有許多不同類型的氫氣傳感器已經(jīng)商業(yè)化或正在研發(fā)中。2015年，美國能源部(DOE)設(shè)定了極具挑戰(zhàn)的氫氣傳感器使用性能參數(shù)指標(biāo)，包括濃度范圍(0.1%～10%)、工作溫度(-30～80℃)、響應(yīng)時(shí)間(<1.0 s)、氣體環(huán)境(相對濕度10%～98%)、使用壽命(>10年)、市場價(jià)格(每單元<40美元)等。為了滿足未來氫經(jīng)濟(jì)的需求，除了減少傳感器大小、成本和功耗外，應(yīng)提高氫氣傳感器靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性。

什么是電流型氫氣傳感器？

電流型氫氣傳感器在商業(yè)應(yīng)用中比較常見，其通過對氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生與氫氣濃度成正比的電流。電流型氫氣傳感器主要由3部分組成(圖1)。第一部分是發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的電極，通常包括兩個(gè)電極——工作或感應(yīng)電極和反電極。第二部分為電化學(xué)電池，包含固體或液體電解質(zhì)，以允許離子在電極之間傳輸。第三部分為氣體滲透層，覆蓋了連接到感應(yīng)電極的入口，并有助于限制擴(kuò)散，從而使其成為決定速率的步驟。

圖1電流型氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意

Dai等人以納米結(jié)構(gòu)的ZnO為傳感電極，以質(zhì)子導(dǎo)體CaZrInO作為電解質(zhì)，制成了電流型氫氣傳感器。在制備電解質(zhì)的過程中，將燒結(jié)助劑(ZnO)引入CaZrInO中以促進(jìn)其燒結(jié)。研究表明，傳感器的響應(yīng)電流與氫氣濃度在50～500×10范圍內(nèi)幾乎呈線性關(guān)系。隨著溫度的升高，靈敏度增加，在700℃時(shí)達(dá)到179.87 nA/10。該傳感器顯示出快速的響應(yīng)/恢復(fù)，良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。Alenezy等人研究表明，采用基于Pd修飾的長程有序TiO晶體作為敏感層的電流型傳感器具有優(yōu)異的氫氣傳感性能。由于使用Pd納米顆粒作為解離催化劑并且施加了外部刺激，增加了氫氣在催化敏感層上的反應(yīng)速率和電子流。該方法在接近室溫(33℃)時(shí)可以以高選擇性檢測到低氫濃度(50×10)。最重要的是，所開發(fā)的傳感器對二氧化碳、丁酮、丙酮等其他氣體表現(xiàn)出很高的選擇性(>93%)。

電壓型氫氣傳感器

電壓型氫氣傳感器與電流型氫氣傳感器的不同之處在于，它們最好在零電流下工作，測量數(shù)值是感應(yīng)電極和參考電極之間的電位差或電動勢。電壓型氫氣傳感器的結(jié)構(gòu)類似于電流型氫氣傳感器，由一個(gè)與電解質(zhì)接觸的兩個(gè)電極組成。這些電極通常由稀有元素如鈀、鉑、金或銀制成。常用固體質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)，包括氧化鋁、磷硅玻璃、氫化鈉等。

Jung等人制造了一種用于燃料電池車輛的高濃度電壓型氫氣傳感器。該氫氣傳感器在20%～99.99%的氫氣濃度范圍內(nèi)工作，表現(xiàn)出非常短的響應(yīng)時(shí)間(小于5 s)，相對濕度和壓力的環(huán)境變化不會影響傳感器的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，基于納米離子的電壓型氫氣傳感器是監(jiān)測燃料電池汽車中高濃度氫氣的一個(gè)很有前途的候選者。

電化學(xué)傳感器具有低功耗和室溫操作的優(yōu)點(diǎn)，并具有良好的商業(yè)穩(wěn)定性。但仍存在一些缺點(diǎn)，包括使用壽命僅有2年，溫度范圍有限，選擇性小，對環(huán)境條件(壓力)敏感。相比之下，電壓型氫氣傳感器的響應(yīng)與氫氣濃度呈對數(shù)關(guān)系(在較高濃度下精度較低)，而電流型氫氣傳感器與氫氣是線性關(guān)系(靈敏度更高)。