氫氣是所有已知分子中最小、最輕的，其無(wú)色無(wú)味的性質(zhì)使其很容易泄漏。此外，當(dāng)在密閉空間中濃度超過(guò) 4% 時(shí)，也會(huì)造成著火或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。氫氣要成為未來(lái)能源行業(yè)的主力軍，必須通過(guò)超靈敏氣體檢測(cè)技術(shù)確保天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)日麄€(gè)天然氣處理過(guò)程的安全問(wèn)題。然而，使用電信號(hào)的傳統(tǒng)氣體泄漏傳感器容易產(chǎn)生電火花，從而導(dǎo)致泄漏的氫氣爆炸。此外，主流的基于電極的接觸傳感器根據(jù)設(shè)備的接觸狀態(tài)影響信號(hào)的有效穩(wěn)定性，信號(hào)保真度較弱。因此，需要通過(guò)非接觸模式檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、非爆炸性的，以消除任何可能的危險(xiǎn)，人們一直致力于開(kāi)發(fā)一種不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難情況的安全裝置。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院 (KIST)宣布，由傳感器系統(tǒng)研究中心和 KU-KIST 研究生院的 Minah Seo 博士以及健康科學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的 Yong-Sang Ryu 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，高麗大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種非接觸式太赫茲光傳感器。它可以在常溫常壓的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中檢測(cè)出小至0.25%的氫氣泄漏，這是光學(xué)檢測(cè)方法檢測(cè)限性能的世界頂級(jí)水平。

光譜學(xué)是測(cè)量分析樣品光學(xué)常數(shù)值變化的非接觸式觀察方法。在該方法中，通過(guò)測(cè)量反應(yīng)物質(zhì)遇到氫氣時(shí)光學(xué)特性的變化，以非侵入方式觀察反應(yīng)物質(zhì)的變化。太赫茲電磁波具有非常寬的頻帶，這使得它們對(duì)氣體分子的自然振動(dòng)敏感，并且可以在光譜學(xué)中利用來(lái)解析各種氣體、DNA和氨基酸等分子中的微小獨(dú)特信息和差異。然而，由于與微量氫氣相互作用的概率較低，且缺乏放大太赫茲波信號(hào)的技術(shù)，因此在實(shí)際應(yīng)用中一直存在困難。

研究小組專(zhuān)注于氫滲透到鈀金屬中的特性，并制定了一種研究策略，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。研究人員開(kāi)發(fā)了一種氣體檢測(cè)傳感平臺(tái)，可以使用能夠放大特定電磁波波段信號(hào)的超材料，靈敏地測(cè)量由微量氣體引起的太赫茲光信號(hào)的變化。該團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)了一種太赫茲超材料，可以放大氣敏太赫茲頻段的信號(hào)，然后將鈀均勻地涂在超材料上，創(chuàng)造出一個(gè)極其狹窄的14納米空間，以最大限度地提高太赫茲信號(hào)的靈敏度。鈀不僅在表面吸附的氫和氧催化反應(yīng)生成水分子中發(fā)揮雙功能，而且在儲(chǔ)氫中發(fā)揮雙功能。為了模擬真實(shí)環(huán)境(80% 的氮?dú)猓?0% 的氧氣)，將氫氣和氧氣注入開(kāi)發(fā)的傳感室并暴露于太赫茲傳感平臺(tái)。結(jié)果顯示，通過(guò)顯著的光學(xué)信號(hào)變化，對(duì)暴露的氫氣有很大的責(zé)任，并且這些信號(hào)以實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行了科學(xué)分析。超薄鈀與超靈敏光學(xué)帶寬(太赫茲)的使用提供了協(xié)同性能，能夠?qū)⒌陀?1% 的氫氣泄漏檢測(cè)到實(shí)時(shí)檢測(cè)水平。

平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅考慮了優(yōu)越的檢測(cè)性能，還考慮了檢測(cè)平臺(tái)的可重用性。一般來(lái)說(shuō)，鈀等金屬氫化物很難重復(fù)使用，因?yàn)樗鼈兪遣豢赡娴模@意味著它們?cè)谙嘧兒鬅o(wú)法恢復(fù)到原始狀態(tài)，但韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院-高麗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)特殊的處理技術(shù)確保了樣品的可重復(fù)使用性。他們還成功開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)光信號(hào)在納米尺度上非接觸式實(shí)時(shí)追蹤氫解吸機(jī)制的技術(shù)。

“現(xiàn)有的光傳感器在常溫、常壓和濕度環(huán)境下的可靠性非常有限，但這是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，它不僅可以檢測(cè)和篩選氣體，還可以通過(guò)大幅提高靈敏度來(lái)檢測(cè)和篩選極少量的各種生化物質(zhì)，”博士說(shuō)。 Minah Seo，該研究的主要作者。“預(yù)計(jì)將用于開(kāi)發(fā)一種系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)檢查，能夠?qū)Ω鞣N有害因素、氣體和疾病立即做出反應(yīng)。”

“除了太赫茲測(cè)量技術(shù)之外，它還開(kāi)辟了目視檢查金屬表面上發(fā)生的各種氣體吸附和解吸過(guò)程以及分子級(jí)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制的可能性，”該論文的主要作者、高麗大學(xué)教授 Ryu Yong-sang 說(shuō)。研究。