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《自然·材料》:快响应、长寿命,氢检测材料获突破!
发布:blast_k   时间:2019/5/24 16:16:56   阅读:100 
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氢气是一种清洁且可持续的能量载体。然而氢气具有易燃性,具有一定的安全隐患。考虑到安全问题,任何氢能源储存系统,例如车辆和电器和氢气分配的基础设施都必须经过泄漏检测,因此对氢气传感器的灵敏度提出了更高的要求。通常,氢气传感器在室温下的响应时间应为1秒,浓度范围为0.1%至10% 间。为了达到这些具有挑战性的目标,人们采用了基于氢化物形成的金属纳米粒子的光学纳米等离子体氢气传感器。光信号不产生火花,并且来源于氢的物质可被吸收到金属主体的间隙位置,促使这类传感器本质上具有高度的选择性。此外,传感器的光学指纹具有可调节性,从而可将尺寸缩小的单个纳米颗粒水平。在该领域中,钯是首选的功能材料。钯可在环境条件下有效解离氢气,并且在室温下可发生从金属到金属氢化物的可逆相变,进而产生较大的光学对比度。然而,对应的迟滞行为导致的反应时间较长以及痕量物质(如CO和NO2)导致在钯材料的中毒问题仍未得到解决。


 
近期,瑞典查尔姆斯理工大学的Christoph Langhammer教授课题组将钯-金合金等的离子体纳米离子信号传感器和可调节的聚合物薄膜层相结合,利用其通用和协同作用获得新型光学传感器。他们通过设计金属-聚合物的界面来降低的活化能,调控纳米粒子的表面积,即可满足1秒的室温响应时间的目标。与此同时,滞后行为被抑制,传感器检测极限显著增强,即使在苛刻的化学环境中,也可以保持长达4个月的使用寿命。

此突破是通过结合两个关键效应来实现的:

一是通过形成聚合物-金属表面键降低表面到次表面(surface-to-subsurface)的氢扩散活化能垒;

二是调整比表面积以克服传感器在氢化和去氢化期间的固有响应时间限时。

从更广泛的角度来看,此工作为下一代光学气体传感器打开了大门。以混合材料为核心概念,将可调控等离子体信号传感器与多种选择性膜材料相结合,并通过设计材料组分的尺寸和界面实现灵敏度,选择性,失活抗性和响应时间的优化,以满足对先进传感器技术不断增长的需求。

相关论文以《Metal–polymer hybrid nanomaterials for plasmonic ultrafast hydrogendetection》为题,发表在在国际权威学术期刊《自然·材料》上。

图文速递


图1.利用等离子体金属-聚合物杂化纳米材料的结构和表征


图2.灵敏度的增强和检测极限。


图3. 室温下Pd@PTFE and Pd70Au30@PTFE传感器的响应时间


图4.Pd70Au30@PMMA传感器的性能


图5.Pd70Au30@PTFE@PMMA串联传感器的性能

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0325-4

来源:材料科学前沿

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