Figure 1. Illustration schématique du fonctionnement des capteurs optiques d'hydrogène. A proximité de l'hydrogène, le matériau à base de tantale (Ta) et de palladium (Pd) absorbe l'hydrogène (H). Plus la quantité d'hydrogène dans la zone est grande, plus le matériau absorbe d'hydrogène. Comme le matériau absorbe de l'hydrogène, ses propriétés optiques changent. En mesurant par exemple la quantité de lumière réfléchie par le matériau, on peut déterminer la pression ou la concentration d'hydrogène. Crédit :TU Delft
L'hydrogène joue un rôle de plus en plus important dans la transition vers une économie totalement durable. Il est déjà utilisé à grande échelle dans l'industrie, mais il est aussi plus souvent utilisé pour le stockage d'énergie durable et comme carburant pour les gros et lourds véhicules en particulier. Il est prévu de transformer le réseau de gaz naturel existant en un réseau d'hydrogène. Cependant, dans certaines circonstances, l'hydrogène est un gaz combustible et parfois même explosif, il est donc important de traquer au plus vite les moindres fuites d'hydrogène. Cela fait pas cher, des capteurs fiables capables de détecter rapidement de petites quantités d'hydrogène d'une importance vitale. Les chercheurs de la TU Delft ont maintenant développé un matériau parfaitement adapté à cette tâche.
À l'heure actuelle, l'hydrogène est généralement détecté avec un équipement relativement gros et coûteux, qui a souvent besoin à la fois d'oxygène et d'électricité pour fonctionner correctement. Cette combinaison d'oxygène et d'électricité peut être dangereuse à proximité de l'hydrogène, rendant les capteurs inadaptés à de nombreuses applications.
Les capteurs optiques d'hydrogène ne présentent pas ces inconvénients. Ce type de capteur est basé sur le fait que les propriétés optiques de certains matériaux changent lorsqu'ils absorbent de l'hydrogène au moment où de l'hydrogène est présent à proximité du capteur. Ce changement de propriétés optiques peut par exemple être mesuré en considérant la quantité de lumière réfléchie par le matériau. La clé ici est de trouver un matériau de détection qui absorbe progressivement plus d'hydrogène à mesure que la concentration d'hydrogène à proximité du capteur augmente.
Les matériaux de détection actuellement connus ont tous leurs limites. Par exemple, ils peuvent soit mesurer des quantités relativement élevées d'hydrogène, répondre lentement, ne fonctionnent qu'à des températures élevées (> 90 °C), ou ils sont très compliqués à faire. Le capteur de Delft, à base de tantale et de palladium, ne présente aucun de ces inconvénients :il est capable de détecter avec précision l'hydrogène à température ambiante ainsi qu'à des températures plus élevées et à la fois à des concentrations faibles et élevées.
Dans leur quête du meilleur matériau de détection pour un capteur optique d'hydrogène, les chercheurs de Delft ont utilisé un large éventail de techniques avancées pour caractériser les matériaux. « En plus des mesures optiques, nous avons utilisé les rayons X et les neutrons produits par notre propre réacteur de recherche à Delft pour mieux comprendre les matériaux, " explique Lars Bannenberg. " A partir de ces mesures, nous acquérons une meilleure compréhension des matériaux nous permettant d'améliorer les propriétés des matériaux. Par exemple, nous utilisons le fait que les matériaux se comportent un peu différemment de ce à quoi nous sommes habitués lorsqu'ils sont extrêmement fins. Le capteur d'hydrogène ultime ne contiendra donc qu'une fine couche du matériau découvert d'une épaisseur inférieure à un millième de cheveu humain."
Cette image montre des fibres avec le matériau de détection sur le dessus. La lueur verte représente la lumière qui est transportée dans la fibre et partiellement réfléchie à l'extrémité de la fibre. Un avantage majeur du matériau nouvellement découvert est qu'il fonctionne également à température ambiante, il n'y a donc pas besoin de chauffage. Crédit :TU Delft
Balance de cuisine
Ce qui rend ce matériau spécial, c'est qu'il peut mesurer l'hydrogène sur au moins sept ordres de grandeur de pression. C'est comparable à une balance de cuisine qui peut mesurer n'importe quoi, de quelques grammes de farine au poids d'un éléphant, et le tout avec la même précision relative. Cela rend le capteur très polyvalent :il peut être utilisé pour mesurer les plus petites fuites d'hydrogène dans une station de remplissage d'hydrogène, par exemple, et aussi pour déterminer la quantité d'hydrogène dans une pile à combustible à hydrogène.
Un autre aspect utile est la vitesse de réponse exceptionnelle du matériau de détection :il réagit à un changement de concentration d'hydrogène en une fraction de seconde, beaucoup plus rapide que la plupart des matériaux, qui ont souvent des temps de réponse de plusieurs dizaines de secondes voire de minutes. Qu'un seul matériau puisse faire tout cela a été une surprise pour l'équipe elle-même :« Nous avions pensé que nous pouvions améliorer un peu les matériaux actuels, mais que notre matériau se révélerait avoir toutes ces propriétés utiles dépassait nos rêves les plus fous, " dit Bernard Dam.
Des projets ambitieux
Une demande de brevet pour le nouveau matériau de détection a été soumise et la revue de renommée internationale Advanced Functional Materials a publié un article sur la découverte. Il y a des projets ambitieux pour le futur proche. Par exemple, les chercheurs souhaitent également voir si le matériau peut également être utilisé dans des capteurs adaptés à une utilisation à très basse température (-50 °C), de sorte qu'ils peuvent également être utilisés dans les avions. "Mis-à-part, nous explorons la possibilité de construire un prototype de capteur qui fonctionne également en dehors du laboratoire, " dit Herman Schreuders. " De plus, nous voulons voir si les capteurs peuvent être utilisés dans les piles à combustible à hydrogène."
