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近日，暨南大學納米光子學研究院研究團隊研發(fā)出一種集成光催化、光傳感、光電探測功能的氫氣傳感器，探測極限達到ppm級，同時實現(xiàn)了低成本、高集成、零偏壓和室溫工作。相關(guān)研究成果發(fā)表于Light: Science & Applications。

作為一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，在全球節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化的大背景下，氫能近年來受到越來越多的關(guān)注，成為能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點發(fā)展方向。全球主要發(fā)達國家都高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)趨于成熟，燃料電池出貨量快速增長、成本持續(xù)下降，氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)明顯提速。

但是，氫氣易燃易爆，并且在泄漏時難以被察覺，因此在氫氣的生產(chǎn)、運輸、儲存及使用等環(huán)節(jié)中極易產(chǎn)生安全事故。為保障開發(fā)利用氫能的安全性，必須要具備快速且高靈敏的氫氣傳感技術(shù)。目前市場上常用的氫氣傳感器以半導(dǎo)體氧化物體系與金屬鈀(鈀合金)體系的電阻型氫氣傳感器為主，只能快速地檢測到500 ppm以上的氫氣濃度，無法在泄露的初始階段及時報警，且往往需在150 ℃或更高溫度下工作。

為解決這些問題，研究團隊提出了一種光催化-光傳感-光電探測一體集成的光電型氫氣傳感器。該傳感器利用氫敏金屬等離激元耦合產(chǎn)生的帶內(nèi)躍遷熱電子，一方面可在氫分子/金屬界面增強、加快催化斷鍵反應(yīng)，另一方面可越過金屬-介質(zhì)-半導(dǎo)體(MIS)肖特基結(jié)勢壘形成與氫分子濃度相關(guān)的光電流信號，進而實現(xiàn)單片集成的高靈敏、低延時的氫氣傳感。更有趣的是，該技術(shù)的高靈敏性還得益于氫氣環(huán)境下MIS結(jié)界面多物理機理協(xié)同作用，通過氫誘導(dǎo)界面極化層的熱電子輸運調(diào)制效應(yīng)使器件可在0 V偏壓下獲得極高的響應(yīng)開關(guān)比。

我國是世界上最大的制氫國，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)積極發(fā)展態(tài)勢，已初步掌握氫能制備、儲運、加氫、燃料電池和系統(tǒng)集成等主要技術(shù)和生產(chǎn)工藝，在部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車小規(guī)模示范應(yīng)用。但總體看，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，需要在技術(shù)裝備水平方面加強創(chuàng)新，支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展。暨南大學研究團隊的這項成果為氫氣檢測提供了低成本且高靈敏度的解決方案，在氫能汽車、氫燃料電池存儲站等領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用市場，能夠推動我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

研究人員表示，下一步將從光學、電學和材料學角度出發(fā)，進一步提升氫氣傳感器的性能，以便達到更低的檢測極限、以及更快的響應(yīng)速度，使傳感器在核電站這種級別的場景都有用武之地。另一方面，研究團隊還打算把本次發(fā)現(xiàn)的新機制用于碳基氣體等其他氣體的檢測，以便更好地適應(yīng)國家的“雙碳”戰(zhàn)略。

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