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声表面波氢气传感器的技术优势在于响应快、灵敏度高。声表面波技术本身对表面负载具有很高的灵敏度和快速响应特性。结合特殊的选择性氢敏材料，利用传感过程中的气体吸附效应对声表面波传播进行快速、高灵敏度的检测。
氢气作为一种清洁能源，在促进节能减排、调整能源产业结构、应对全球气候变化方面具有广阔的应用前景。
然而，使用氢气有一个“痛点”。氢气本身易燃、易爆、无色、无味，使氢气泄漏难以察觉，积累后容易发生安全事故。更好地开发和利用氢能，快速、高灵敏度的氢传感技术至关重要。
近日，传感器领域的重要期刊《Sensors and Actuators B:chemical》上线了一篇重要论文，展示了氢气传感技术的新进展。中国科学院声学研究所超声学实验室研究员王文带领课题组在前期工作的基础上，与南开大学教授杨大驰团队合作，将微纳声表面波器件技术与钯镍纳米线氢敏材料相结合，提出并开发了一种具有秒级响应、高灵敏度、低检测限的新型声表面波氢传感器。
目前氢传感技术难以满足实际需求
2019年仲夏，全球20天内发生了三起氢气相关爆炸。韩国一个氢燃料储存罐发生爆炸；美国一家化工厂的储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸和火灾；挪威首都奥斯陆郊区的一座加氢站发生爆炸。
如何安全利用氢气作为绿色清洁能源，已成为人们关注的焦点。
王文表示：“氢气易燃易爆。空气中氢气浓度在4%-75%范围内极易发生爆炸，氢气泄漏引起的安全事故时有发生。因此，在使用氢能时必须进行实时监测，氢气传感器已成为氢能应用的关键组成部分。”
目前，典型的氢气传感技术采用催化、热导、电化学、电阻和光学等方法。王文表示这些方法各有优缺点。
催化传感器能稳定快速检测浓度在4%以内的氢气，但可燃气体选择性差，易受抑制剂影响，工作温度需求较高，难以满足氢能应用领域的高安全性和可靠性要求。
热导式传感器可以在大范围内快速实现氢气传感（约20秒），但传感精度不高，会对氦、甲烷、一氧化碳等高热导气体造成交叉敏感，难以检测浓度低于1%的氢。
电化学传感器可在常温下工作，灵敏度高，但响应速度慢（约70秒内），使用寿命短。虽然电阻式传感器可以实现秒级快速氢传感，但一般需要高温工作环境（300摄氏度至800摄氏度），选择性差、容易中毒。
光学传感器具有抗电磁干扰强、较安全、且灵敏度高、测量精度高、实时响应等优点。但传感器体积大，整个系统复杂且成本较高。
2007年，美国能源部制定了汽车和固定电力系统中氢气检测的性能指导要求。其中，最关键的一个指出，氢气传感器的性能要求——响应速度和恢复速度预计在1秒内，量程要求为0.1-10vol%。现有的氢气传感器很难满足这一要求。
“目前，氢气传感技术在响应速度、使用范围和安全性方面难以满足氢气泄漏监测的实际需要，新的氢气传感技术和方法亟待发展。”王文说。
新型传感器具有快速响应和高灵敏度
事实上，作为声学领域的一个重要发展方向，王文和他的同事们对其前沿动态并不陌生。他和同事们一直在深入研究，在特异性气敏材料响应机制、多效耦合的声表面气敏效应和高性能声表面波气敏元件优化方面取得了重要进展。
为了满足氢能发展的实际需求，开发了更敏感的氢气传感器，王文及其研究小组加快了研究步伐。他们找到了南开大学杨大驰教授的团队，他们对氢敏材料进行了深入的研究。
双方一拍即合。“自2016年以来，我们开始与杨大驰教授的团队合作，开展新型声表面波氢气传感器研究。”王文说，中国科学院声学所的声表面波技术研究在中国处于主导地位，而南开大学在氢敏材料研究方面积累了多年。双方希望通过将声表面波器件技术与钯基纳米材料（一种氢敏材料）相结合，探索快速氢传感的新方法，解决现有氢传感技术面临的技术问题。
“声表面波氢传感器的技术优势在于响应快、灵敏度高。”王文解释说，声表面波技术本身对表面负载表现出极高的灵敏度和快速响应特点，结合特定的选择性氢敏材料，利用传感过程中的气体吸附效应对声表面波传播，实现氢气的快速高灵敏度检测。
王文说：“此外，声表面波氢气传感器还具有良好的重复性和选择性，以及小体积、低成本的技术特点。”
虽然思路和目标非常明确，但王文及其研究小组在研究过程中仍然遇到了问题。“我们面临着两个技术困难，一是钯基氢敏材料的响应机制和设计方法，二是高性能声表面波氢敏元件的设计和制备。”
王文告诉记者，他们通过讨论和各种实验解决了问题。例如，通过探索钯基材料及纳米调控机制，确定了纳米线的制备方法，建立了优化传感器功能结构的分析方法。
该团队最终成功开发出新型声表面波氢气传感器样机。
王文高兴地说：“样机测试结果很好，验证了最初的设计理念。新型声表面波氢气传感器实现了对氢气检测的快速响应、高灵敏度和低检测限制。”
在氢能领域应用前景广阔
氢气作为一种新兴能源载体和化工原料，具有来源广泛、清洁环保、可循环利用等一系列优点。被称为太阳能和风能的九大新能源，也被称为最具发展前景的二次能源。
据不完全统计，截至目前，已有北京、河北、四川、山东等30多个地方出台了氢能产业发展政策及相关规划。根据《北京市氢能产业发展实施方案（2021-2025年）》，2025年前，京津冀地区实现氢能产业链产业规模超过1000亿元，碳排放减少200万吨。
“氢能广泛应用于电子工业、汽车工业、冶金工业、石化工业、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天、食品加工等领域。作为一种绿色能源，它的应用正在深化。未来，对氢气传感器的市场需求也将急剧增加。”王文说。
近年来，氢传感器发展迅速，出现了许多不同技术原理的商用氢气传感器，如电化学、电学和光学。各国科研机构继续投入开展氢气传感新原理、新技术研究，以满足实际应用的需要。
“声表面波氢气传感器引起了许多研究人员的兴趣。”王文说，许多研究都关注氢敏材料的设计，并取得了良好的实验效果。
“但到目前为止，由于氢敏材料的稳定性和可靠性，还没有商业化的声表面波氢气传感器。”王文说。
然而，随着碳达峰碳中和工作的深入推进，未来高灵敏度氢气传感器将“大显身手”。
王文对新型声表面波氢气传感器的应用前景非常有信心。“鉴于声表面波氢气传感器具有快速、灵敏度高、功耗低、体积小、成本低等特点，一旦完成工程化，在氢能领域具有巨大的应用前景。”
由于国内各地氢能政策的陆续出台，可能会开启一波氢能应用潮，解决氢燃料电池“卡脖子”技术刻不容缓，2月24日下午3点，由氢启未来网主办的氢能大咖分享汇特邀深圳市通用氢能科技有限公司－大区销售总监肖鹏永，与您一起讨论氢燃料电池核心材料国产化。
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