随着我们转向更清洁的能源，氢正成为越来越受欢迎的选择。它可以像传统燃料一样燃烧，只产生水作为副产品，当用于燃料电池时可以发电。然而，随着氢气生产、使用和运输的增加，安全问题也在增加。氢气在浓度低至4%时是高度易燃的，并且是无味无色的，因此很难检测到泄漏。
为了解决这些问题，由东京科学研究所（Science Tokyo）的Yutaka Majima教授领导的研究人员开发了一种传感器，可以以极短的响应时间检测超低浓度的氢气。他们的研究发表在2024年11月5日的《高级功能材料》杂志上。
该传感器由纳米多晶CuO NWs制成，它对氢气高度敏感，放置在硅（SiO2/Si）衬底上，带有铂/钛电极。Majima教授说：“我们采用电子束光刻技术和两步非原位氧化技术，开发了一种可靠且可重复的工艺，用于制备高性能的纳米CuO纳米线——带有空隙的纳米缺口氢气传感器，这与直接从铜源生长的传统独立单晶CuO纳米线有很大不同。”
当暴露在氢气中时，传感器通过检测CuO NWs电阻的变化来工作。在空气中，氧分子附着在CuO - NWs的表面，形成氧离子（O2?，O?，O22-），在表面附近形成一层正电荷载体（空穴）。当引入氢时，它与CuO NWs表面的氧离子反应生成水，从而降低了空穴浓度。结果，NWs的导电性变差。通过测量电阻的增加，传感器可以检测氢气的存在和浓度。
研究人员通过在富氢环境中引入预退火步骤，然后在干燥空气中缓慢氧化，提高了传感器的性能。最初，制备的铜（Cu） NWs结晶度低，在表面形成氧化铜层，阻碍了与氧的相互作用。退火过程将Cu NWs从矩形形状重塑为半圆拱形形状，提高了它们的结晶度。在随后的氧化步骤中，NWs铜被转化为氧化铜。在这个过程中，铜原子向外扩散，与氧发生反应，产生空隙，增加了NW的表面积，为氢和氧与NW相互作用提供了更多的活性位点。
由于这些改进，传感器可以检测低至十亿分之五（ppb）的氢浓度，远低于以前的基于cuo的H?传感器。此外，它耐湿度，这是氧化铜气体传感器的一个共同缺点。传感器的反应速度也很快，只需7秒就能探测到氢气。
研究人员通过减少电极之间的纳米间隙，进一步提高了传感器的性能。更小的间隙产生更强的电场，加速载流子的运动，加快传感器的响应和恢复。该传感器的间隙尺寸为33纳米，在5秒内检测到1000ppm的氢气，并在10秒内恢复到基准状态。Majima教授说：“我们将继续开发更广泛的气体传感器，用这种方法来制造其他有害气体的传感器。”
通过早期检测泄漏或不安全气体水平，该传感器可以帮助降低风险，并确保氢技术的安全采用，支持向氢基经济的过渡。
