超灵敏的光学传感器可降低氢气的风险

在追求清洁和可再生能源的过程中，氢气发挥着重要作用。但这一转变所面临的一个主要挑战是，这种气体与空气混合时具有爆炸性。出于这个原因，能够尽早发现氢气的泄漏是至关重要的。现在，查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology)、阿姆斯特丹自由大学（Vrije Universiteit Amsterdam）和埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology）的研究人员已经开发出一种光学传感器，可以检测到创纪录的低浓度氢气泄漏。

氢气被视为重型运输部门去碳化的一个重要部分，世界各地正在开发和部署以氢气为动力的火车、卡车和飞机。即使在重工业中，氢气也被认为是非常重要的，例如用于生产无化石的钢铁。

储存或使用氢气的风险是众所周知的。在空气中只需要4%的氢气就能形成爆炸性混合物，只要一点火花就能点燃。因此，重要的是要有超灵敏的传感器来监测氢气泄漏并在关键时刻发出警报。

氢气使用中安全是最重要的

瑞典查尔姆斯理工大学物理系的研究人员与荷兰同事一起，开发出一种光学氢气传感器，可以检测到创纪录的低浓度氢气泄漏。因此该款传感器加入了世界上最灵敏的传感器行列。新的研究成果在Nature Communications上发表了一篇文章。

文章的主要作者之一，查尔姆斯理工大学教授Christoph Langhammer说：“在所有氢气的使用和储存中，安全是最重要的。如果氢气在泄漏早期被发现，它们可以被修复，这样你就有希望不必让工厂或车辆停止使用”。

AI技术引领潮流

光学氢气传感器由许多金属纳米粒子组成，它们一起工作以检测周围环境中的氢气。如何设计新的传感器的方法与以前的做法不同。研究人员没有生产大量的样品并对它们进行单独测试，看哪一个效果最好，而是利用先进的人工智能技术，根据颗粒之间的距离、直径和厚度，创造出最佳的互动。其结果是一个能够检测到小至几十万分之一的氢气浓度变化的传感器应运而生。

新传感器的低检测极限背后的秘密是颗粒在表面上的规则排列和它们的微调尺寸的结合。事实证明，这比以前同类型的传感器中使用的随机颗粒排列更有利于传感器的灵敏度。

Christoph Langhammer的研究小组此前已经研发出世界上最快的氢气传感器。对他们来说，很明显，需要许多不同类型的传感器，而且必须针对具体应用进行优化。

Christoph Langhammer说：“围绕氢气的技术已经有了巨大的飞跃，因此今天的传感器需要更加精确，并为不同的目的量身定做。有时需要一个非常快速的传感器，有时需要一个在恶劣的化学环境或低温下工作的传感器。一个单一的传感器设计不能满足所有的需求”。

光学氢气传感器如何工作

研究人员开发的传感器是基于一种光学现象，即等离激元，当金属纳米粒子捕获光线时发生等离激元，并使粒子具有明显的颜色。如果纳米粒子是由钯或钯合金制成的，那么当周围的氢气量发生变化时，它们的颜色就会发生变化，如果氢含量达到临界水平，传感器就会触发警报。

为了找到传感器中粒子的表面排列和几何形状的最佳组合，研究人员使用了一种称为粒子群优化的人工智能算法，以达到对暴露于氢气的最高灵敏度。结果证明，将粒子按非常精确的规则模式放置就是答案。

在人工智能设计的基础上，优化的光学氢气传感器被制造出来，并被验证是第一个在 “十亿分之一 ”范围内（250 ppb）光学检测氢气的产品。

图 通过粒子群优化找到具有最高品质因数 (FoM) 的传感器参数

有关超灵敏光学传感器的更多信息，可参见Inverse designed plasmonic metasurface with  

parts per billion optical hydrogen detection(https://www.nature.com/articles/s41467-022-33466-8#Sec7)