研究人員發明可在室溫下使用的氫氣傳感器

2020-11-26 電子工程專輯

氫氣是取代石化燃料的潛力替代能源之一，然而具備高度易燃性，因此如果要發展氫能源經濟，能偵測氫氣的傳感器不可或缺。然而到目前為止，氫氣傳感器的最大挑戰在於需要較高的溫度才能起作用，而且敏感度較低、反應時間也較緩慢。sEwEETC-電子工程專輯
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而來自荷蘭的臺夫特理工大學(Delft University of Technology，TU Delft)研究人員宣稱，他們已經克服上述挑戰，開發了一種以三氧化鎢(ungsten trioxide，WO3)薄層製作的新型傳感器，結合了高電阻以及利用鉑金(platinum)催化劑感測氫氣的能力，可以在接近室溫下感測到1pppm的氫氣濃度，而且當氫氣濃度超過100pppm時，反應時間不到1秒。sEwEETC-電子工程專輯
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三氧化鎢的特性之一是晶格結構中包含許多開放空間，因此這種材料很容易摻雜(doped)，可藉此導入其他原子來改變其電氣特性。TU Delft的技術論文主要作者Giordano Mattoni表示，三氧化鎢本身是一種絕緣體，「但在摻雜之後，能藉由添加電荷改變材料的顏色，並且將之逐漸轉變成金屬；我們嘗試將氫氣摻雜到三氧化鎢薄膜，看看它是否能成為傳感器。」sEwEETC-電子工程專輯
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結果證明是可以的；研究人員首先是利用名為脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition)的方法製作三氧化鎢薄層，如此能在一片基板上一層層單獨沉積該種材料層；Mattoni指出：「利用這種方法，我們製作出厚度僅9奈米的三氧化鎢薄層。」sEwEETC-電子工程專輯
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然後研究人員將鉑金液滴(droplet)放置在三氧化鎢薄層的最上方；鉑金具備一種眾所周知的特性，能扮演將氫分子分離為單個氫原子的催化劑，而研究人員觀察到，那些原子能進入三氧化鎢的晶格，並將之緩慢由絕緣體轉變為金屬。Mattoni指出：「這意味著透過量測材料的電阻，我們能判定環境中的氫氣濃度。」sEwEETC-電子工程專輯
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研究人員的實驗將三氧化鎢薄膜暴露於不同的環境條件中，包括正常空氣，混合了氫氣的環境，還有真空；而實驗結果可以看出，其電阻與樣本顏色(光學影像顯示)會在暴露於氫氣時改變，但在正常空氣中又會恢復初始狀態sEwEETC-電子工程專輯
（來源：EE Times）sEwEETC-電子工程專輯
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TU Delft開發的新型氫氣傳感器與其他同類傳感器最大的不同，就在於能在室溫下使用。「其敏感度比其他市面上的產品更高，在幾分鐘之內就能重複使用；」Mattoni還表示：「此外透過提高或降低傳感器溫度，也能根據不同應用來調整其敏感度。」因為該種薄膜能與目前的半導體技術兼容，新型氫氣傳感器具備大量生產的潛力，研究團隊正準備為此技術申請專利。sEwEETC-電子工程專輯
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編譯：Judith ChengsEwEETC-電子工程專輯

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