Оптическое определение водорода с высоким

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 890 (2023) Цитировать эту статью

938 Доступов

Подробности о метриках

В качестве датчика водорода, работающего при комнатной температуре, предложена наноструктура на основе диэлектрической решетки (Al2O3), газохромного оксида (WO3) и катализатора (Pd). В изготовленной структуре пленка Pd-катализатора имела толщину всего 1 нм, что позволило существенно снизить оптическое поглощение. Резонанс направленной моды с высокой добротностью наблюдался в спектре пропускания при нормальном падении и использовался для обнаружения водорода. Спектры измерены при 0–0,12 % водорода в синтетическом воздухе (≈ 80 % \({\text{N}}_{2}\) и 20 % \({\text{O}}_{2} \)). Был продемонстрирован предел обнаружения водорода ниже 100 ppm. Водород был обнаружен в присутствии кислорода, который обеспечивает восстановление датчика, но подавляет реакцию датчика. Реакция датчика обрабатывалась методом главных компонент (PCA), который эффективно выполняет усреднение шума. Влияние температуры и влажности измерялось и обрабатывалось методом PCA, а также выполнялось устранение эффектов влажности и температуры. Обнаружена квадратичная зависимость отклика сенсора от концентрации водорода (закон Зиверта). Построена калибровочная кривая датчика и найдено разрешение датчика 40 ppm. Была исследована долговременная стабильность датчика. В частности, было показано, что датчик сохраняет свою работоспособность через 6 месяцев и десятки актов реагирования на газ.

Спрос на зеленую энергию стимулирует развитие водородных технологий, которые позволяют эффективно, устойчиво и с нулевым уровнем выбросов управлять энергопотреблением1. Это также создает необходимость мониторинга водорода, ключевыми элементами которого являются детекторы и анализаторы водорода. Хотя наиболее распространенными являются резистивные газовые сенсоры на основе тонких пленок оксидов металлов, они имеют рабочие температуры от 100 до 400 °C и ограниченную селективность2,3,4,5. Чтобы избежать необходимости нагрева, разработаны оптические сенсоры, основанные на газохромных свойствах оксидов металлов (WO3, NiO и др.), прилегающих к катализатору (Pd, Pt)6,7,8. Эти датчики используют свойство материалов изменять коэффициент затухания и/или показатель преломления в результате реакции с газом9. Оптические газовые сенсоры H2 и других газов демонстрируют предел обнаружения в десятки и сотни ppm10, что достаточно для большинства применений.

Триоксид вольфрама имеет выраженную реакцию на водород, что делает его одной из наиболее перспективных платформ для оптического обнаружения H211,12,13,14. Одной из основных проблем разработки эффективных сенсоров водорода на основе оксидов металлов является существенное снижение чувствительности сенсора в кислородсодержащей атмосфере. Это вызвано обратной реакцией с кислородом, которая влияет на работу как оптических, так и резистивных датчиков водорода15,16,17. Чтобы преодолеть эту проблему, необходима более высокая чувствительность. Различные подходы, включая легирование и наноструктурирование, использовались для усиления газохромного отклика сенсоров на основе WO3 на водород7,18,19. Одной из основных целей наноструктурирования является увеличение оптического отклика при сохранении толщины строительных слоев для обеспечения быстрого отклика. Кроме того, оптический путь вдоль поверхности наноструктуры должен быть достаточно большим, чтобы интегральный отклик был достаточно сильным. По этой причине структура, поддерживающая резонанс направленной моды, кажется вполне подходящей. Направленный резонанс широко используется при разработке различных датчиков благодаря возможности настройки резонансной длины волны и высокой чувствительности20,21,22,23,24,25.

Важной частью любого датчика является алгоритм обработки данных датчика. Во многих случаях чувствительность можно повысить за счет правильной процедуры обработки26,27. В случае оптических датчиков обработка данных имеет особое значение из-за сложного спектрального отклика датчиков этого класса28,29.

В настоящей работе предложен и исследован оптический резонансный датчик водорода с направленным режимом на основе 1D наноструктуры Al2O3/WO3/Pd, работающий в кислородсодержащей атмосфере. Каталитическая пленка Pd была толщиной всего 1 нм, чтобы избежать значительных оптических потерь. Мы экспериментально продемонстрировали существование резонансов поглощения в наноструктуре и показали, что ультратонкой каталитической пленки достаточно для эффективного функционирования сенсора: высокой чувствительности и быстрого отклика. Разрешение датчика 40 ppm было продемонстрировано при обработке данных датчика методом анализа главных компонент (PCA). Селективность по отношению к водороду подтверждена методом ПХА при изменении влажности окружающей атмосферы и нагреве датчика. Было обнаружено, что сенсор сохранил свою функцию после нескольких месяцев интенсивного использования, хотя отклик стал несколько слабее и медленнее.