El hidrógeno se está convirtiendo en una opción cada vez más popular a medida que avanzamos hacia una energía más limpia. Puede quemarse como los combustibles tradicionales, produciendo sólo agua como subproducto, y puede generar electricidad cuando se utiliza en pilas de combustible. Sin embargo, a medida que aumentan la producción, el uso y el transporte de hidrógeno, también aumentan las preocupaciones sobre la seguridad. El hidrógeno es altamente inflamable en concentraciones inferiores al 4% y es inodoro e incoloro, lo que dificulta la detección de fugas.
Para abordar estas preocupaciones, investigadores dirigidos por el profesor Yutaka Majima del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo) han desarrollado un sensor que detecta hidrógeno en concentraciones ultrabajas con un tiempo de respuesta muy corto. Su investigación fue publicada en la revista. Materiales funcionales avanzados El 5 de noviembre de 2024.
El sensor está hecho de CuO NW policristalino con diseño nanométrico, que es altamente sensible al gas hidrógeno, incrustado en un silicio (SiO).2/Si) sustrato con electrodos de platino/titanio. “Empleamos litografía por haz de electrones y dos pasos situación anterior oxidación para desarrollar un proceso confiable y reproducible para preparar sensores de gas de hidrógeno con nanocables de CuO y nanoespacios nanométricos de alto rendimiento, que es sustancialmente diferente de los nanocables de CuO monocristalinos independientes cultivados directamente a partir de fuentes de cobre”, dijo el profesor Majima. .
Cuando se expone al gas hidrógeno, el sensor funciona detectando cambios en la resistencia eléctrica de los CuO NW. En el aire, las moléculas de oxígeno se adhieren a la superficie de CuO NW para formar iones de oxígeno (O2–Y–Y22-) que induce una capa de portadores de carga positiva (agujeros) cerca de la superficie. Cuando se introduce hidrógeno, reacciona con iones de oxígeno en la superficie de CuO NW para formar agua, lo que reduce la densidad del agujero. Como resultado, los NO se vuelven menos conductores. Al medir el aumento de la resistencia, el sensor puede detectar la presencia y concentración de gas hidrógeno.
Los investigadores mejoraron el rendimiento del sensor introduciendo un paso de recocido previo en un entorno rico en hidrógeno, seguido de una oxidación lenta en aire seco. Inicialmente, los NW de cobre (Cu) fabricados tienen baja cristalinidad y forman una capa de óxido de Cu en la superficie, que inhibe la interacción con el oxígeno. El proceso de recocido cambia los Cu NW de una forma de arco rectangular a semicircular, mejorando su cristalinidad. En el siguiente paso de oxidación, los Cu NW se convierten en óxido de cobre. Durante este proceso, los átomos de cobre se difunden hacia afuera para reaccionar con el oxígeno, creando vacíos que aumentan el área de superficie del NO, proporcionando sitios más activos para que el hidrógeno y el oxígeno interactúen con el NO.
Como resultado de estas mejoras, el sensor puede detectar concentraciones de hidrógeno tan bajas como 5 partes por mil millones (ppb), mucho más bajas que las anteriores basadas en CuO.2 Además, el sensor es resistente a la humedad, un inconveniente común de los sensores de gas CuO. El sensor responde rápidamente, detectando hidrógeno en sólo 7 segundos.
Los investigadores aumentaron aún más el rendimiento del sensor al reducir la separación de nanoespacios entre los electrodos. Una pequeña brecha crea un fuerte campo eléctrico, acelerando el movimiento de los portadores de carga y acelerando la respuesta y recuperación del sensor. Con un tamaño de separación de 33 nm, el sensor detectó 1000 ppm de H2 en sólo 5 segundos y vuelve a la línea de base en 10 segundos. “Continuaremos desarrollando una gama más amplia de sensores de gas con este proceso y también desarrollaremos sensores para otros gases peligrosos”, afirmó el profesor Majima.
A través de la detección temprana de fugas o niveles de gas peligrosos, los sensores pueden ayudar a reducir el riesgo y permitir la adopción segura de la tecnología del hidrógeno, apoyando la transición a una economía basada en el hidrógeno.