Водород может стать важной частью экологически чистой энергетики, но его утечки опасны. Поэтому надёжные датчики нужны везде, где водород производят, хранят, перевозят или используют. Постоянная проблема - влажность: молекулы воды оседают на активной поверхности сенсоров и мешают им точно реагировать, особенно в жарком и сыром воздухе.

Международная команда учёных из Института передовых исследований материалов WPI-AIMR при Университете Тохоку (Япония), Университета Юты и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) предложила каталитический датчик водорода, работающий в таких условиях без внешнего подогрева. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.

В основе устройства - сеть наночастиц палладия с множеством границ зёрен. Так называют крошечные границы между соседними кристаллами. Именно они, как выяснилось, помогают сенсору противостоять помехам от влаги.

Датчик определяет водород при температуре от 22 до 80 градусов Цельсия и относительной влажности от 0 до 90%. Он способен заметить концентрацию всего 100 частей на миллион при 80 градусах и 90% влажности, когда паров воды в воздухе во много раз больше, чем водорода. Устройство также показало высокую избирательность: оно не реагировало на 21 потенциально мешающий газ. Его работа оставалась воспроизводимой в течение 100 последовательных циклов измерения и стабильной в испытаниях длительностью 125 дней. Сенсор соответствует требованиям стандарта ISO 26142 к реакции на влажность в сложных условиях.

Чтобы объяснить результаты, исследователи объединили эксперименты по отслеживанию структурных изменений и удаления воды с молекулярно-динамическим моделированием и расчётами из первых принципов. "Мы обнаружили, что границы зёрен помогают водороду проникать в палладий и быстро образовывать гидрид палладия, даже когда поверхность влажная", - приводит слова Хао Ли, заслуженного профессора WPI-AIMR, пресс-релиз.

Этот гидрид слабо связывает воду, поэтому каталитические центры остаются доступными для реакции водорода с кислородом, которая и создаёт измеримый сигнал. Сочетание границ кристаллов, образования гидрида и адсорбции воды объясняет, почему материал сохраняет чувствительность там, где обычные катализаторы сдают позиции.

Кроме того, команда встроила модель машинного обучения в портативный прототип сенсора. Учитывая изменения температуры и влажности, система оценивала концентрацию водорода с отклонением в пределах 5% в испытаниях прототипа при случайно меняющихся условиях. Помимо демонстрации более устойчивого датчика, работа указывает на инженерию границ зёрен как перспективный подход для безопасного мониторинга водорода на промышленных объектах и в будущей водородной энергетике.

Источник: Phys.org