Rilevamento ottico dell'idrogeno ad alta

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 890 (2023) Citare questo articolo

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La nanostruttura basata su un reticolo dielettrico (Al2O3), ossido gasocromico (WO3) e catalizzatore (Pd) viene proposta come sensore di idrogeno funzionante a temperatura ambiente. Nella struttura fabbricata, il film catalitico al Pd era sottile fino a 1 nm, consentendo una significativa diminuzione dell'assorbimento ottico. Una risonanza in modalità guidata ad alto Q è stata osservata in uno spettro di trasmissione con incidenza normale ed è stata utilizzata per il rilevamento dell'idrogeno. Gli spettri sono stati misurati allo 0–0,12% di idrogeno in un'aria sintetica (≈ 80% \({\text{N}}_{2}\) e 20% \({\text{O}}_{2} \)). È stato dimostrato il limite di rilevamento inferiore a 100 ppm di idrogeno. L'idrogeno è stato rilevato in presenza di ossigeno, che fornisce il ripristino del sensore ma sopprime la risposta del sensore. La risposta del sensore è stata trattata mediante l'analisi delle componenti principali (PCA), che esegue efficacemente la media del rumore. L'influenza della temperatura e dell'umidità è stata misurata ed elaborata mediante PCA ed è stata eseguita l'eliminazione degli effetti dell'umidità e della temperatura. È stata osservata la dipendenza della radice quadrata della risposta del sensore dalla concentrazione di idrogeno (legge di Sievert). È stata creata la curva di calibrazione del sensore ed è stata trovata la risoluzione del sensore di 40 ppm. È stata studiata la stabilità a lungo termine del sensore. In particolare, è stato dimostrato che il sensore conserva la sua funzionalità dopo 6 mesi e decine di atti di risposta al gas.

La domanda di energia verde ispira lo sviluppo di tecnologie dell’idrogeno, che consentono una gestione dell’energia efficiente, sostenibile e a zero emissioni1. Ciò crea anche la necessità di monitorare l’idrogeno, i cui elementi chiave sono i rilevatori e gli analizzatori di idrogeno. Sebbene i più comuni siano sensori di gas resistivi basati su film sottili di ossidi metallici, hanno temperature di lavoro comprese tra 100 e 400 °C e selettività limitata2,3,4,5. Per evitare la necessità di riscaldamento, vengono elaborati sensori ottici basati sulle proprietà gasocromiche degli ossidi metallici (WO3, NiO, ecc.) adiacenti ad un catalizzatore (Pd, Pt)6,7,8. Questi sensori sfruttano la proprietà dei materiali di modificare il coefficiente di estinzione e/o l'indice di rifrazione in seguito alla reazione con un gas9. I sensori ottici di gas di H2 e altri gas dimostrano un limite di rilevamento di decine e centinaia di ppm10, sufficiente per la maggior parte delle applicazioni.

Il triossido di tungsteno ha una risposta pronunciata all'idrogeno che lo rende una delle piattaforme più promettenti per il rilevamento ottico di H211,12,13,14. Una delle sfide principali per lo sviluppo di sensori di idrogeno efficienti basati su ossidi metallici è la sostanziale diminuzione della risposta del sensore nell’atmosfera contenente ossigeno. Ciò è causato dalla reazione inversa con l'ossigeno, che influenza le prestazioni dei sensori di idrogeno sia ottici che resistivi15,16,17. Per superare questo problema è necessaria una sensibilità maggiore. Vari approcci, tra cui il drogaggio e la nanostrutturazione, sono stati utilizzati per migliorare la risposta gasocromica dei sensori basati su WO3 all'idrogeno7,18,19. Uno degli obiettivi principali della nanostrutturazione è l'aumento della risposta ottica mantenendo sottili gli strati costruttivi per fornire una risposta rapida. Inoltre, il percorso ottico lungo la superficie della nanostruttura dovrebbe essere sufficientemente ampio da rendere la risposta integrale sufficientemente forte. Per questo motivo, la struttura che supporta la risonanza in modalità guidata sembra essere particolarmente adatta. La risonanza in modalità guidata è ampiamente utilizzata per lo sviluppo di vari sensori grazie alla sintonizzabilità di una lunghezza d'onda risonante e all'elevata sensibilità20,21,22,23,24,25.

Parte essenziale di qualsiasi sensore è un algoritmo per l'elaborazione dei dati del sensore. In molti casi, la sensibilità può essere migliorata da una procedura di elaborazione adeguata26,27. Nel caso dei sensori ottici, l'elaborazione dei dati è di particolare importanza a causa della complessa risposta spettrale di questa classe di sensori28,29.

Nel presente lavoro è stato proposto e studiato un sensore di idrogeno a risonanza ottica in modalità guidata basato su una nanostruttura 1D Al2O3/WO3/Pd che funziona in un'atmosfera contenente ossigeno. Il film catalitico di Pd era sottile fino a 1 nm per evitare perdite ottiche significative. Abbiamo dimostrato sperimentalmente l'esistenza di risonanze di assorbimento nella nanostruttura e dimostrato che il film catalitico ultrasottile era sufficiente per un funzionamento efficace del sensore: un'elevata sensibilità e una risposta rapida. La risoluzione del sensore di 40 ppm è stata dimostrata con l'elaborazione dei dati del sensore mediante l'analisi delle componenti principali (PCA). La selettività all'idrogeno è stata dimostrata mediante PCA modificando l'umidità dell'atmosfera esposta e riscaldando il sensore. Si è constatato che il sensore ha mantenuto la sua funzione dopo diversi mesi di uso intensivo, anche se la risposta è diventata un po' più debole e lenta.