Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Университета химии и технологии Праги предложили новые сенсоры на основе широкодоступного оптического волокна для точного детектирования молекул водорода в воздухе.

Такие системы в перспективе могут стать основой для «водородной сигнализации» и использоваться для обнаружения утечек взрывоопасного водорода. Предложенные сенсоры могут работать дистанционно — на расстоянии до сотен метров — в режиме онлайн. При этом они многоразовые, в десятки раз дешевле хроматографического анализа, и им не страшны газы окислители, губительные для традиционных сенсоров с электронными компонентами. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sensors.

Водород считается одним из перспективных альтернативных источников энергии. Однако его применение в качестве энергоносителя затруднено, в том числе и тем, что в смеси с кислородом или воздухом он взрывоопасен. Такое смешение с воздухом возможно, например, в случае утечки водорода из резервуара, где он хранится.

 «Поэтому нужно детектировать молекулы водорода в газовой смеси. Сейчас это делают с помощью различных способов, в том числе с использованием электронных сенсоров, хотя они являются потенциальным источником искры. Поэтому мы обратили свое внимание на оптическое волокно. Это простой и коммерчески доступный материал. При этом можно максимально удалить сенсор от места детектирования, так как оптоволокно легко позволяет передавать информацию на большие расстояния. Сенсор может размещаться в двигателе машины, работающей на водороде, или в месте заправки, а в кабине может быть индикатор утечки», — отмечает один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Оптическое волокно представляет собой тонкие нити из оптически прозрачного материала — стекла или пластика. Они способны передавать цифровую информацию в форме светового импульса. Авторы статьи модифицировали нити волокна следующим образом. Удалив фрагмент оболочки волокна, они нанесли на это место тончайший слой золота методом магнетронного напыления. На поверхности этой «золотой зоны» возникает эффект поверхностного плазмонного резонанса. Он является источником аналитического сигнала. На этой золотой пластинке из матричного раствора исследователи вырастили металлоорганический каркас, состоящий из молекул цинка и специфических органических соединений.

«Этот каркас крайне чувствителен к водороду, он буквально захватывает из воздуха молекулы. При этом он инертен к другим газам. Чувствительность сенсора такой конструкции сопоставима со стационарным хроматографом, который в десятки раз дороже и требует квалифицированного персонала. Сейчас нам удалось добиться предела определимости ниже 2 %. То есть когда в воздухе появляется водород, наш сенсор может его засечь при концентрации ниже 2 %, при том что нижний порог взрываемости смеси водорода и кислорода порядка 4 %», – говорит Павел Постников.

По его словам, основные преимущества разработанного сенсора — простота, чувствительность, возможность быстрой дистанционной диагностики.

«Еще очень важно, что сенсор легко работает в присутствии газов-окислителей — это, например, углекислый газ, различные оксиды. Дело в том, что современные сенсоры часто страдают недостатком — эти газы мешают сорбции водорода. А наш сенсор работает без затруднений на открытом воздухе, где таких газов очень много»,— добавляет исследователь.

poisknews.ru