ENGINEERINGNET.BE - Waterstofsensoren worden in vele toepassingen gebruikt, zoals de chemische industrie, diagnostiek, levensmiddelen, en in toenemende mate op het gebied van veiligheid door de opkomst van waterstofvoertuigen.
Waterstof is in een bepaalde concentratie namelijk brandbaar. Tot op heden werden hiervoor vooral elektrische sensoren gebruikt, omdat die gevoelig zijn en een bereik hebben tot deeltjes per miljard (ppb) concentraties.
Ze worden echter als riskant beschouwd omdat er stroom bij komt kijken en er vonken kunnen ontstaan. Optische sensoren daarentegen zijn inherent veilig, omdat ze geen elektrische onderdelen op het meetgebied nodig hebben.
Ook presteren optische waterstofsensoren nu qua snelheid en miniaturisering even goed of beter dan elektrische sensoren, met één uitzondering, namelijk als het gaat om gevoeligheid.
Tot nu toe was er geen enkele optische waterstofsensor met een detectielimiet binnen het ppb-gebied, meestal vanwege het gebruikte actieve materiaal: palladium (Pd) of palladium-legeringen.
Bij gebruik als plasmonische waterstofsensor produceert palladium brede optische spectra, wat vervolgens leidt tot een signaal met veel ruis, en dus een beperkte resolutie om lage concentraties te detecteren.
Natuurkundigen van de Nederlandse Vrije Universiteit (VU), TU Eindhoven en de Chalmers University of Technology uit Zweden gingen hiermee aan de slag. Zij maakten een proefmonster bestaande uit een spectrum van Pd-nanodeeltjes die de zogenaamde oppervlakte-roosterresonantie ondersteunen. Dit leidt tot veel smallere optische spectra en daardoor een hoge gevoeligheid.
Om het spectrum met de hoogste gevoeligheid te vinden, gebruikten de onderzoekers een vorm van AI die deeltjeszwermoptimalisatie wordt genoemd. Dit algoritme maakt het mogelijk om de structuur van het nanodeeltjes-spectrum zo te optimaliseren dat de sterkste optische respons wordt verkregen onder blootstelling aan waterstof.
Dit resulteerde in de ontwikkeling van de eerste optische sensor die in ppb (250 ppb) kan detecteren, wat minstens acht keer gevoeliger is dan de beste sensor op de markt.
De ontwikkelde methode is te combineren met bijvoorbeeld andere materialen en legeringen om de detectiesnelheid van de sensor te verbeteren of met een optimale polymeerlaag als coating om de selectiviteit te verhogen.
