Des capteurs rapides et précis seront cruciaux dans une société durable où l'hydrogène est un vecteur énergétique. L'hydrogène gazeux est produit par l'eau qui est divisée à l'aide d'électricité provenant de l'énergie éolienne ou solaire. Les capteurs sont nécessaires à la fois lors de la production de l'hydrogène et lors de son utilisation, par exemple dans les voitures alimentées par une pile à combustible. Afin d'éviter la formation de gaz inflammables et explosifs lorsque l'hydrogène est mélangé à l'air, les capteurs d'hydrogène doivent pouvoir détecter rapidement les fuites. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
L'hydrogène est un vecteur d'énergie propre et renouvelable qui peut alimenter des véhicules, avec de l'eau comme seule émission. Malheureusement, l'hydrogène gazeux est hautement inflammable lorsqu'il est mélangé à l'air, des capteurs très performants et efficaces sont donc nécessaires. Maintenant, chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, présentent les premiers capteurs d'hydrogène jamais atteints pour atteindre les futurs objectifs de performance pour une utilisation dans les véhicules à hydrogène.
Les résultats révolutionnaires des chercheurs ont récemment été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Matériaux naturels . La découverte est un nanocapteur optique encapsulé dans un matériau plastique. Le capteur fonctionne sur la base d'un phénomène optique – un plasmon – qui se produit lorsque des nanoparticules métalliques sont illuminées et captent la lumière visible. Le capteur change simplement de couleur lorsque la quantité d'hydrogène dans l'environnement change.
Le plastique autour du petit capteur n'est pas seulement pour la protection, mais fonctionne comme un élément clé. Il augmente le temps de réponse du capteur en accélérant l'absorption des molécules d'hydrogène gazeux dans les particules métalliques où elles peuvent être détectées. À la fois, le plastique agit comme une barrière efficace à l'environnement, empêcher toute autre molécule d'entrer et désactiver le capteur. Le capteur peut donc fonctionner à la fois de manière très efficace et sans perturbation, lui permettant de répondre aux exigences rigoureuses de l'industrie automobile – d'être capable de détecter 0,1 % d'hydrogène dans l'air en moins d'une seconde.
"Nous avons non seulement développé le capteur d'hydrogène le plus rapide au monde, mais aussi un capteur stable dans le temps et qui ne se désactive pas. Contrairement aux capteurs d'hydrogène d'aujourd'hui, notre solution n'a pas besoin d'être recalibrée aussi souvent, comme il est protégé par le plastique, " dit Ferry Nugroho, chercheur au Département de physique de Chalmers.
Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, présentent les premiers capteurs d'hydrogène jamais atteints pour atteindre les futurs objectifs de performance pour une utilisation dans les véhicules à hydrogène. Crédit :Mia Halleröd Palmgren/Université de technologie de Chalmers
C'était pendant sa période de doctorat. étudiant que Ferry Nugroho et son superviseur Christoph Langhammer ont réalisé qu'ils étaient sur quelque chose de grand. Après avoir lu un article scientifique indiquant que personne n'avait encore réussi à respecter les exigences strictes de temps de réponse imposées aux capteurs d'hydrogène pour les futures voitures à hydrogène, ils ont testé leur propre capteur. Ils se sont rendu compte qu'ils n'étaient qu'à une seconde de la cible – sans même essayer de l'optimiser. Le plastique, initialement conçu comme une barrière, a fait le travail mieux qu'ils n'auraient pu l'imaginer, en rendant également le capteur plus rapide. La découverte a conduit à une période intense de travaux expérimentaux et théoriques.
« Dans cette situation, rien ne nous arrêtait. Nous voulions trouver la combinaison ultime de nanoparticules et de plastique, comprendre comment ils ont travaillé ensemble et ce qui l'a rendu si rapide. Notre travail acharné a donné des résultats. En quelques mois seulement, nous avons atteint le temps de réponse requis ainsi que la compréhension théorique de base de ce qui le facilite, " dit Ferry Nugroho.
La détection de l'hydrogène est difficile à bien des égards. Le gaz est invisible et inodore, mais volatile et extrêmement inflammable. Il ne nécessite que quatre pour cent d'hydrogène dans l'air pour produire du gaz oxhydrique, parfois appelé knallgas, qui s'enflamme à la moindre étincelle. Pour que les voitures à hydrogène et les infrastructures associées du futur soient suffisamment sûres, il doit donc être possible de détecter des quantités extrêmement faibles d'hydrogène dans l'air. Les capteurs doivent être suffisamment rapides pour que les fuites puissent être détectées rapidement avant qu'un incendie ne se déclare.
« C'est formidable de présenter un capteur qui, espérons-le, peut faire partie d'une percée majeure pour les véhicules à hydrogène. L'intérêt que nous voyons dans l'industrie des piles à combustible est inspirant, " dit Christoph Langhammer, Professeur au Département de physique Chalmers.
Le plastique autour du petit capteur n'est pas seulement pour la protection, mais fonctionne comme un élément clé. Il augmente le temps de réponse du capteur en accélérant l'absorption des molécules d'hydrogène gazeux dans les particules métalliques où elles peuvent être détectées. À la fois, le plastique agit comme une barrière efficace à l'environnement, empêcher toute autre molécule d'entrer et désactiver le capteur. Crédit :Yen Strandqvist/Université de technologie de Chalmers
Bien que l'objectif soit avant tout d'utiliser l'hydrogène comme vecteur énergétique, le capteur présente également d'autres possibilités. Des capteurs d'hydrogène très performants sont nécessaires dans l'industrie des réseaux électriques, l'industrie chimique et nucléaire, et peut également aider à améliorer les diagnostics médicaux.
"La quantité d'hydrogène gazeux dans notre respiration peut fournir des réponses à, par exemple, inflammations et intolérances alimentaires. Nous espérons que nos résultats pourront être utilisés sur un large front. C'est bien plus qu'une publication scientifique, " dit Christoph Langhammer.
À long terme, l'espoir est que le capteur puisse être fabriqué en série de manière efficace, par exemple en utilisant la technologie d'impression 3D.
Faits :Le capteur d'hydrogène le plus rapide au monde
