Sensores rápidos e precisos serão cruciais em uma sociedade sustentável onde o hidrogênio é um transportador de energia. O gás hidrogênio é produzido pela água que é dividida com a ajuda da eletricidade da energia eólica ou solar. Os sensores são necessários quando o hidrogênio é produzido e quando é usado, por exemplo, em carros movidos por uma célula de combustível. A fim de evitar a formação de gás inflamável e explosivo quando o hidrogênio é misturado com o ar, os sensores de hidrogênio precisam ser capazes de detectar vazamentos rapidamente. Crédito:Yen Strandqvist / Chalmers University of Technology
O hidrogênio é um transportador de energia limpa e renovável que pode alimentar veículos, com a água como única emissão. Infelizmente, o gás hidrogênio é altamente inflamável quando misturado com o ar, portanto, são necessários sensores muito eficientes e eficazes. Agora, pesquisadores da Chalmers University of Technology, Suécia, apresentam os primeiros sensores de hidrogênio a cumprir as metas de desempenho futuras para uso em veículos movidos a hidrogênio.
Os resultados inovadores dos pesquisadores foram publicados recentemente na prestigiosa revista científica Materiais da Natureza . A descoberta é um nanossensor óptico encapsulado em um material plástico. O sensor funciona com base em um fenômeno óptico - um plasmon - que ocorre quando nanopartículas de metal são iluminadas e capturam a luz visível. O sensor simplesmente muda de cor quando a quantidade de hidrogênio no ambiente muda.
O plástico ao redor do minúsculo sensor não é apenas para proteção, mas funciona como um componente-chave. Ele aumenta o tempo de resposta do sensor, acelerando a absorção das moléculas do gás hidrogênio nas partículas de metal, onde podem ser detectadas. Ao mesmo tempo, o plástico atua como uma barreira eficaz ao meio ambiente, impedir que quaisquer outras moléculas entrem e desativem o sensor. O sensor pode, portanto, funcionar de forma altamente eficiente e sem perturbações, permitindo atender às rigorosas demandas da indústria automotiva - ser capaz de detectar 0,1 por cento de hidrogênio no ar em menos de um segundo.
"Não desenvolvemos apenas o sensor de hidrogênio mais rápido do mundo, mas também um sensor que é estável ao longo do tempo e não desativa. Ao contrário dos sensores de hidrogênio de hoje, nossa solução não precisa ser recalibrada com tanta frequência, pois é protegido pelo plástico, "diz Ferry Nugroho, pesquisador do Departamento de Física da Chalmers.
Pesquisadores da Chalmers University of Technology, Suécia, apresentam os primeiros sensores de hidrogênio a cumprir as metas de desempenho futuras para uso em veículos movidos a hidrogênio. Crédito:Mia Halleröd Palmgren / Chalmers University of Technology
Foi durante seu tempo como Ph.D. aluno que Ferry Nugroho e seu supervisor Christoph Langhammer perceberam que estavam no caminho certo. Depois de ler um artigo científico afirmando que ninguém ainda tinha conseguido atingir os rígidos requisitos de tempo de resposta impostos aos sensores de hidrogênio para futuros carros a hidrogênio, eles testaram seu próprio sensor. Eles perceberam que estavam a apenas um segundo do alvo - sem nem mesmo tentar otimizá-lo. O plástico, originalmente concebido principalmente como uma barreira, fez o trabalho melhor do que eles poderiam ter imaginado, também tornando o sensor mais rápido. A descoberta levou a um intenso período de trabalho experimental e teórico.
"Nessa situação, não havia como nos parar. Queríamos encontrar a melhor combinação de nanopartículas e plástico, entender como eles trabalharam juntos e o que o tornou tão rápido. Nosso trabalho árduo deu resultados. Em apenas alguns meses, alcançamos o tempo de resposta exigido, bem como a compreensão teórica básica do que o facilita, "diz Ferry Nugroho.
A detecção de hidrogênio é um desafio de várias maneiras. O gás é invisível e inodoro, mas volátil e extremamente inflamável. Requer apenas quatro por cento de hidrogênio no ar para produzir gás oxi-hidrogênio, às vezes conhecido como knallgas, que se inflama com a menor faísca. Para que os carros a hidrogênio e a infraestrutura associada do futuro sejam suficientemente seguros, portanto, deve ser possível detectar quantidades extremamente pequenas de hidrogênio no ar. Os sensores precisam ser rápidos o suficiente para que os vazamentos possam ser rapidamente detectados antes que ocorra um incêndio.
"É ótimo apresentar um sensor que pode ser parte de um grande avanço para veículos movidos a hidrogênio. O interesse que vemos na indústria de células de combustível é inspirador, "diz Christoph Langhammer, Professor do Departamento de Física de Chalmers.
O plástico ao redor do minúsculo sensor não é apenas para proteção, mas funciona como um componente-chave. Ele aumenta o tempo de resposta do sensor, acelerando a absorção das moléculas de gás hidrogênio nas partículas de metal, onde podem ser detectadas. Ao mesmo tempo, o plástico atua como uma barreira eficaz ao meio ambiente, impedir que quaisquer outras moléculas entrem e desativem o sensor. Crédito:Yen Strandqvist / Chalmers University of Technology
Embora o objetivo seja principalmente usar hidrogênio como um transportador de energia, o sensor também apresenta outras possibilidades. Sensores de hidrogênio altamente eficientes são necessários na indústria de rede elétrica, a indústria química e nuclear, e também pode ajudar a melhorar o diagnóstico médico.
"A quantidade de gás hidrogênio em nossa respiração pode fornecer respostas para, por exemplo, inflamações e intolerâncias alimentares. Esperamos que nossos resultados possam ser usados em uma frente ampla. Isso é muito mais do que uma publicação científica, "diz Christoph Langhammer.
A longo prazo, a esperança é que o sensor possa ser fabricado em série de maneira eficiente, por exemplo, usando tecnologia de impressora 3-D.
Fatos:O sensor de hidrogênio mais rápido do mundo
