Des chercheurs dirigés par l'Institut des sciences de Tokyo ont créé un capteur nano-modelé avancé capable de détecter rapidement des concentrations ultra-faibles d'hydrogène gazeux, marquant ainsi une avancée significative en matière de sécurité industrielle.
L'hydrogène, souvent présenté comme le carburant propre du futur, gagne rapidement du terrain en tant que source d'énergie durable. Malgré ses nombreux avantages, la nature hautement inflammable de l'hydrogène présente des risques importants. Pour atténuer ces problèmes de sécurité, une équipe de chercheurs dirigée par Yutaka Majima, professeur à l'Institut des sciences de Tokyo, a développé un capteur révolutionnaire capable de détecter l'hydrogène gazeux à des concentrations ultra-faibles presque instantanément. Cette innovation a été détaillée dans une étude publié dans la revue Advanced Functional Materials.
Le capteur nouvellement développé est fabriqué à partir de nanofils d'oxyde de cuivre polycristallins à motifs nanométriques (CuO NW) et est monté sur un substrat de silicium avec des électrodes en platine/titane. Cette configuration permet au capteur de détecter l'hydrogène à des concentrations aussi minuscules que 5 parties par milliard (ppb), une amélioration substantielle par rapport aux capteurs à base de CuO précédents.
Remarquablement, le capteur peut identifier la présence de gaz hydrogène en seulement 7 secondes et revient à des conditions normales en seulement 10 secondes.
« Nous avons utilisé la lithographie par faisceau d'électrons et l'oxydation ex situ en deux étapes pour développer un procédé fiable et reproductible pour la préparation de capteurs de gaz hydrogène à nanofils et nano-espaces CuO à motifs nanométriques de haute performance avec des vides, ce qui est considérablement différent des nanofils CuO monocristallins autonomes conventionnels directement cultivés à partir de sources de cuivre », a déclaré Majima dans un communiqué. communiqué de presse.
Le fonctionnement du capteur repose sur la détection des variations de résistance électrique des nanofils de CuO. Dans l'air ambiant, les molécules d'oxygène adhèrent à la surface des nanofils de CuO, formant des ions oxygène et déclenchant une couche de porteurs de charge positifs, ou trous, près de la surface.
Lorsque de l'hydrogène gazeux est présent, il réagit avec ces ions d'oxygène de surface pour produire de l'eau, réduisant ainsi la concentration de trous. Cela entraîne une augmentation de la résistance dans les NW, signalant la présence d'hydrogène.
Les chercheurs ont introduit une étape de pré-recuit dans un environnement riche en hydrogène, suivie d'une oxydation lente à l'air sec pour améliorer les performances du capteur. Ce processus a transformé les nanofils de cuivre fraîchement fabriqués de formes rectangulaires en arches semi-circulaires, augmentant ainsi leur cristallinité. L'oxydation convertit ensuite les nanofils de cuivre en CuO, enrichissant la surface de vides qui augmentent les sites actifs disponibles pour l'interaction entre l'hydrogène et l'oxygène.
L'équipe a également amélioré le capteur en réduisant l'écart entre les électrodes à 33 nm. Cette réduction a renforcé le champ électrique, accélérant le mouvement des porteurs de charge et donc la réponse du capteur. Le capteur a ainsi pu détecter 1,000 5 ppm d'hydrogène en seulement XNUMX secondes.
Soulignant le potentiel plus large de leur technique, Majima a ajouté : « Nous continuerons à développer une gamme plus large de capteurs de gaz avec ce procédé pour fabriquer également des capteurs pour d'autres gaz dangereux. »
Cette avancée majeure promet de transformer les protocoles de sécurité de l’hydrogène dans les environnements industriels. En facilitant la détection précoce des fuites et en assurant une surveillance fiable des niveaux d’hydrogène, le capteur pourrait jouer un rôle essentiel dans la promotion de l’adoption sûre et généralisée des technologies de l’hydrogène. Cette avancée s’inscrit dans le cadre des efforts mondiaux visant à faire la transition vers une économie basée sur l’hydrogène, révolutionnant potentiellement la façon dont les industries gèrent et manipulent l’hydrogène gazeux.