Cientistas desenvolvem detecção ultrarrápida de vazamento de hidrogênio
(Esquerda) O desenho conceitual da estrutura do sensor de hidrogênio integrado ao aquecedor coplanar. O nanofio de Pd está suspenso de forma estável no ar, mesmo com espessura de 20 nm. (Direita) Um gráfico do desempenho do sensor de hidrogênio operando em 0,6 segundos para hidrogênio em uma concentração de 0,1 a 4%. Crédito:ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06806 À medida que aumenta a disseminação de carros a hidrogénio ecológicos, a importância dos sensores de hidrogénio também aumenta. Em particular, conseguir tecnologia para detectar fugas de hidrogénio num segundo continua a ser uma tarefa desafiadora. Conseqüentemente, o desenvolvimento do primeiro sensor de hidrogênio do mundo que atenda aos padrões de desempenho do Departamento de Energia dos EUA tornou-se um tema quente.
Uma equipe da KAIST liderada pelo Dr. no Centro de Pesquisa de Materiais Básicos da Hyundai Motor Company e no Professor Min-Ho Seo da Universidade Nacional de Pusan.
No dia 10 de janeiro, o grupo de pesquisa anunciou que foi desenvolvido o primeiro sensor de hidrogênio do mundo com velocidade inferior a 0,6 segundos.
Para garantir uma tecnologia de detecção de hidrogénio que seja mais rápida e estável do que os sensores de hidrogénio comercializados existentes, a equipa KAIST começou a desenvolver um sensor de hidrogénio de próxima geração em 2021, juntamente com a Hyundai Motor Company. Eles tiveram sucesso após dois anos de desenvolvimento. A pesquisa está publicada no ACS Nano .
A pesquisa existente sobre sensores de hidrogênio concentrou-se principalmente em materiais de detecção, como tratamentos catalíticos ou ligas de materiais de paládio (Pd), que são amplamente utilizados em sensores de hidrogênio. Embora esses estudos tenham apresentado excelente desempenho com determinados indicadores de desempenho, eles não atenderam a todos os indicadores de desempenho desejados e a comercialização foi limitada devido à dificuldade de processamento em lote. Microscopia eletrônica do sensor de hidrogênio integrado ao aquecedor coplanar. (Esquerda) foto de todo o dispositivo. (Canto superior direito) Nanofio de PD suspenso no ar. (Inferior direito) Seção transversal do nanofio de Pd. Crédito:ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06806 Para superar isso, a equipe de pesquisa desenvolveu um sensor que satisfez todos os indicadores de desempenho, combinando design de estrutura micro/nano independente e tecnologia de processamento baseada em materiais de paládio puro.
Além disso, considerando a futura produção em massa, foram utilizados materiais metálicos puros com menos restrições de materiais em vez de materiais sintéticos, e foi desenvolvido um sensor de hidrogénio de próxima geração que poderia ser produzido em massa com base num processo em lote de semicondutores.
O dispositivo desenvolvido é um dispositivo coplanar diferencial no qual o aquecedor e os materiais sensores são integrados lado a lado no mesmo plano para superar a distribuição desigual de temperatura dos sensores de gás existentes, nos quais o aquecedor, a camada isolante e os materiais sensores são empilhados verticalmente.
O nanomaterial de paládio, que é um material sensor, tem uma estrutura totalmente flutuante e é exposto ao ar por baixo, maximizando a área de reação com um gás para garantir uma velocidade de reação rápida. Além disso, o material sensor de paládio opera a uma temperatura uniforme em toda a área. A equipe de pesquisa conseguiu garantir uma velocidade de operação rápida, ampla concentração de detecção e insensibilidade à temperatura/umidade controlando com precisão o desempenho da detecção sensível à temperatura.
A equipe empacotou o dispositivo fabricado com um módulo Bluetooth para criar um sistema integrado que detecta vazamentos de hidrogênio sem fio em um segundo. Ao contrário dos sensores ópticos de hidrogênio de alto desempenho existentes, este é altamente portátil e pode ser usado em uma variedade de aplicações onde a energia do hidrogênio é usada. (Esquerda) Resultados de detecção de hidrogénio em tempo real a partir do sensor de hidrogénio integrado no aquecedor coplanar integrado e embalado em comunicação sem fios e numa aplicação para telemóvel. (Médio) LED piscando controle do ciclo de acordo com o nível de concentração de hidrogênio. (Direita) Resultados da confirmação do desempenho da detecção em 1 segundo em uma demonstração de vazamento de hidrogênio em tempo real. Crédito:ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06806 Min-Seung Jo, que liderou a pesquisa, disse:"Os resultados desta pesquisa são de valor significativo, pois não apenas operam em altas velocidades, excedendo os limites de desempenho dos sensores de hidrogênio existentes, mas também garantem a confiabilidade e a estabilidade necessárias para uso real e pode ser usado em vários lugares, como automóveis, estações de carregamento de hidrogênio e residências."
Ele também revelou seus planos futuros, dizendo:"Através da comercialização desta tecnologia de sensor de hidrogênio, gostaria de contribuir para o avanço do uso seguro e ecológico da energia do hidrogênio".
A equipe de pesquisa está atualmente trabalhando com a Hyundai Motor Company para fabricar o dispositivo em escala wafer e depois montá-lo em um módulo de veículo para verificar ainda mais o desempenho de detecção e durabilidade.
Mais informações: Min-Seung Jo et al, Detecção de hidrogênio ultrarrápida (∼0,6 s), robusta e altamente linear de até 10% usando nanofio de Pd puro totalmente suspenso, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06806 Fornecido pelo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
