氫是一種清潔可再生能源，可以為車輛提供電能，唯一的排放物是清潔的水。不過，氫氣與空氣混合時極易燃燒、爆炸，因此需要非常有效且高效的傳感器對其進行監測。據麥姆斯咨詢報道，瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）的研究人員開發出了世界上檢測最快的氫傳感器，能夠滿足氫動力汽車未來對傳感器的高要求。

研究人員的這項突破性研究成果已經發表于近期出版的著名科學期刊Nature Materials。該發現是一種封裝在聚合物材料中的光學納米傳感器。這款傳感器基于一種等離子體光學現象，一種在金屬納米顆粒被照射并捕獲可見光時發生的現象。當環境中氫含量發生變化時，這款傳感器會改變顏色。

這款微型傳感器外側包覆的聚合物不僅起到保護傳感器的作用，還是這款傳感器的一個關鍵功能組件。聚合物涂層，降低了氫進入和流出等離子體納米顆粒的表觀活化能。它通過加速氫氣分子進入檢測氫的金屬顆粒，來增加傳感器的響應時間。同時，聚合物作為對外界環境的有效屏障，可以防止其他分子進入傳感器，造成傳感器失活。因而，傳感器可以高效且不受干擾地工作，使其能夠滿足汽車行業的嚴格要求，在不到一秒的時間內檢測到空氣中0.1%的氫氣。

“我們不僅開發出了世界上檢測最快的氫傳感器，而且還開發了一種隨時間穩定且不會失活的傳感器。與目前的其它氫傳感器不同，我們的解決方案不需要經常重新校準，因為它有聚合物涂層的保護，”查爾姆斯理工大學物理系研究員Ferry Nugroho說。

在他博士研究生期間，Ferry Nugroho和他的導師Christoph Langhammer意識到他們正在研究的項目會是一項重大發現。他們通過文獻研究發現，目前還沒有氫傳感器能夠滿足未來氫能源汽車的嚴格響應時間要求。于是，他們測試了自己開發的傳感器，發現他們的傳感器檢測時間只需要一秒鐘 ，當時甚至還沒有對其進行優化。最初主要用作屏障的聚合物，實現了遠超他們預想的作用，并且大幅加快了傳感器的檢測速度。這一發現推動了大量的實驗研究和理論工作。

“實驗結果令我們非常興奮。我們希望找到納米顆粒和聚合物的最佳組合，了解它們一起作用的機理，以及它們是如何加速反應的。我們的努力獲得了回報。在短短幾個月內，我們達到了所需要的響應時間，并搞清楚了加速響應的基礎理論，”Ferry Nugroho說。

氫氣的檢測在很多方面都具有挑戰性。這種氣體無色無味，但易揮發且極易燃燒。在空氣中僅需要4%的氫就能產生爆炸性氫氧混合氣體，只需一點火花就能引燃。因此，為了使未來的氫能源汽車和相關基礎設施足夠安全，必須能夠檢測空氣中極少含量的氫氣。氫傳感器需要足夠快，以便在發生火災之前快速檢測到氫泄漏。

查爾姆斯理工大學物理系教授Christoph Langhammer說：“開發出這款有望推動氫動力汽車重大突破的傳感器，我們非常興奮，燃料電池產業的前景令人鼓舞。”

盡管目標應用主要是利用氫氣作為能量載體的領域，但這款傳感器還具有其他應用可能。電力網絡行業、化學和核電行業也需要高效的氫傳感器，并且，氫傳感器還可以幫助改善醫療診斷。

“人體呼吸中的氫氣含量，可以為炎癥和食物不耐受提供答案。我們希望我們的成果可以在廣泛的前沿得到應用，遠非發一篇高質量論文這么簡單，”Christoph Langhammer說。

從長遠來看，希望這款傳感器可以用高效的方式連續制造，例如使用3D打印技術。

世界上檢測最快的氫傳感器

查爾姆斯理工大學開發的這款傳感器基于一種等離子體光學現象，當金屬納米顆粒被照射并捕獲某種特定波長的光時所發生的現象。

等離子體金屬-聚合物混合納米材料的結構和表征

這款光學納米傳感器包含大量鈀-金合金納米顆粒（這種材料以其類似海綿吸水一樣大量吸收氫的能力而聞名）。然后，等離子體效應使傳感器在環境中的氫含量發生變化時改變顏色。

傳感器外周的聚合物不僅可以起到保護作用，而且還通過促進氫分子加速滲透進入金屬納米顆粒，而增加傳感器的響應時間，因而實現更快速的氫檢測。同時，聚合物作為對外界環境的有效屏障（因為氫分子較小，其他分子無法透過到達納米顆粒），可以防止傳感器失活。

這款傳感器的效率使其能夠在不到一秒的時間內檢測到空氣中0.1%的氫氣，從而滿足汽車行業對未來氫能源車輛所提出的嚴苛性能要求。