該團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature Materials上的論文提出了等離子體金屬-聚合物混合納米材料概念，其中聚合物涂層降低了氫進(jìn)出等離子體納米顆粒的表觀活化能，同時(shí)通過定制的串聯(lián)聚合物膜提供了失活電阻。

與納米顆粒提供的獨(dú)特的信號傳感器的優(yōu)化體積比相協(xié)調(diào)，這使得亞秒級傳感器響應(yīng)時(shí)間成為可能。同時(shí)，抑制了氫吸附滯后現(xiàn)象，提高了傳感器的檢測極限，使傳感器在苛刻的化學(xué)環(huán)境中工作，無長期失活跡象。

事實(shí)上，氫氣探測在很多方面都很有挑戰(zhàn)性。這種氣體不可見、沒有氣味、極易揮發(fā)、極易燃燒。它只需要空氣中4%的氫就能產(chǎn)生氫氧氣體，有時(shí)也被稱為knallgas，在最小的火花下就能點(diǎn)燃。為了使氫汽車和未來的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施足夠安全，必須能夠探測到空氣中極少量的氫。傳感器的響應(yīng)速度必須足夠快，以便在火災(zāi)發(fā)生前能夠迅速檢測到泄漏。

“在氫氣經(jīng)濟(jì)中，氫氣被視為清潔和可持續(xù)能源載體，但由于氫氣在空氣中的可燃性范圍較廣，因此氫傳感器的存在將發(fā)揮重要作用。”研究團(tuán)隊(duì)中的Nugroho表示：“從安全的角度出發(fā)，必須要檢測氫能源儲(chǔ)存系統(tǒng)、車輛和電器以及整個(gè)氫分配基礎(chǔ)設(shè)施可能出現(xiàn)的任何泄漏。因此，氫傳感器的性能目標(biāo)規(guī)定在指定室溫下響應(yīng)時(shí)間為1s，跨越濃度范圍覆蓋0.1%-10%。”

為了滿足上述具有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，基于氫化物形成金屬納米粒子的光學(xué)納米等離子體氫傳感器已經(jīng)被引入。在這個(gè)領(lǐng)域，與許多其他氫傳感器平臺(tái)一樣，Pd成為首選的功能材料，能夠在環(huán)境條件有效地分解氫氣，并在室溫下可逆地從金屬氫化物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘贇浠铮瑥亩a(chǎn)生相當(dāng)大的光學(xué)對比度。

但Pd材料的其他缺點(diǎn)，如遲滯行為和響應(yīng)時(shí)間低于目標(biāo)值、微量物種(如CO和NO2)也能有效毒害Pd上的氫離解等問題仍沒有得到解決。

而研究團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的等離子體金屬-聚合物光學(xué)氫傳感器平臺(tái)，利用了PdAu合金等離子體納米顆粒信號傳感器與定制的聚合物薄膜層結(jié)合所產(chǎn)生的共性和協(xié)同效應(yīng)，克服了上述長期存在的局限性。

新型傳感器的工作原理基于光學(xué)現(xiàn)象“等離子體”，當(dāng)金屬納米粒子被照亮并捕獲可見光時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。在傳感器中，一旦環(huán)境中的氫含量發(fā)生變化，傳感器就會(huì)改變顏色。

微型傳感器周圍配備的塑料不僅可以起到保護(hù)作用，而且還是一個(gè)關(guān)鍵部件。它通過加速將氫氣分子吸收到能夠被探測到的金屬顆粒中，提高了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。與此同時(shí)，塑料作為一個(gè)有效的屏障對環(huán)境，防止任何其他分子進(jìn)入和停用傳感器。因此，該傳感器可以高效且不受干擾地工作，能夠滿足汽車工業(yè)的嚴(yán)格要求，在不到1秒的時(shí)間內(nèi)檢測空氣中0.1%的氫氣。

Chalmers物理系研究員Ferry Nugroho表示，：“我們不僅開發(fā)出了世界上最快的氫傳感器，還開發(fā)出一種隨著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定、不會(huì)失活的傳感器。不同于當(dāng)前的氫傳感器，受到塑料保護(hù)的新型傳感器不需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)。”

盡管傳感器的主要目的是利用氫作為能量載體，但傳感器也提供了其他可能性。在電網(wǎng)工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和核電工業(yè)中，高效氫傳感器必不可少，它甚至可以幫助改善醫(yī)療診斷。

目前該研究已獲得瑞典戰(zhàn)略研究基金會(huì)支持。