金崇君教授组在钯基光学氢气传感器领域取得重要进展

      未来新能源发展的主要方向是开发可被经济、高效和无污染利用的能源。氢作为可从多种途径获取的可循环利用的理想能源载体，将带来新的能源变革。在“氢能经济”的各个环节，包括氢气的制备、储存、运输和使用等方面，都面临着安全、成本和效率等方面的挑战。作为一种能源载体，氢气是一种在常温常压下无色无味且高度易燃（燃烧体积分数：4-75%，最低点燃能：0.02 mJ）的气体，即使有微小的火花也会导致爆炸。因此，氢气传感器无疑将在每一个环节的安全方面扮演着至关重要的角色。相比于传统的电学氢气传感器，基于远程光学读出的氢气传感器能够消除测量点产生电火花的隐患，非常适合监测氢气这类易燃易爆气体。近日，我集团ok138cn太阳集团、光电材料与技术国家重点实验室的金崇君教授研究组在光学氢气传感器研究方面取得重要进展，发展了一种高灵敏、低成本的可视化光学氢气传感器，相关成果发表在Nature集团出版的国际著名学术刊物《光：科学与应用》（Light: Science ＆ Applications 2019, 8, 4，IF=13.625)上。

      由于能够常温常压下吸收大量氢气从而产生介电常数的变化和体积膨胀，钯被广泛用作光学氢气传感器的敏感材料。传统的光学氢气传感器采用刚性衬底，限制了钯在吸氢后的体积膨胀，使这项效应无法被充分的应用到氢气传感中。最近，金崇君教授研究组和香港中文大学王建方教授研究组合作，由金崇君教授的博士生佘晓毅和研究员沈杨发展了一种新型的设计思想，提出利用弹性衬底的柔软性充分释放钯在吸收氢气后的体积膨胀效应，使其在弹性衬底上形成褶皱，如图1所示，弹性衬底上的钯膜在通氢气后由平整变粗糙。在１％的氢气浓度下，可实现波长无关的全可见近红外光谱高光学反差（25.78倍）。之前报告过的同类器件最好结果只能在很窄的数个纳米波段实现最高8.8倍的光学反差。研究成果进一步阐明了产生这种高光学反差的原因，是由于通氢气后钯膜由镜面反射变成漫反射引起的。这种镜面反射面和漫反射面的切换，才能引起与波长无关的全光谱高光学反差，因此可以直接用裸眼观察到这种明显示警信号（如图1所示）。

（图１基于柔性衬底的钯膜氢气传感原理图和可视化氢气传感器演示）

      这表明基于柔性衬底的钯膜氢气传感器是一个非常有潜力的光学氢气报警装置，能够低成本、快速地应用于不同环境下的远程无电接触氢气泄漏监控。这种 “镜面反射—漫反射转化”的检测原理，也为其他气体检测的研究提供了全新的思路。

      该研究成果以题为“Pd films on soft substrates: a visual, high-contrast and low-cost optical hydrogen sensor”的论文在线发表在Light: Science ＆ Applications 2019, 8,4, 佘晓毅博士和沈杨研究员为共同第一作者，金崇君和王建方教授为通讯作者。该研究已申请PCT专利（CN 107941787 A, 2017.11.2），具有自主知识产权。

      此前，金崇君教授研究组还发展了一种基于柔性衬底的表面等离激元氢气传感器。该传感器由PDMS/钯纳米凹槽阵列构成。PDMS衬底的柔性使得氢化过程钯纳米凹槽发生几何重构（如图2所示），把表面等离激元谐振波长的移动放大了两倍，氢气体积分数的检测极限可低至0.1%；同时柔性衬底和钯纳米凹槽之间的“软接触”界面，减少了钯膜和衬底之间的界面应力，大大增强了氢气传感的重复性（如图2所示）。

（图2基于柔性衬底的钯纳米凹槽阵列氢气传感原理图和氢气传感性能表征）

      该研究成果以题为“Mechanically Reconfigurable Pd Nanogroove Array: An Ultrasensitive Optical Hydrogen Detector”的论文在线发表在ACS Photonics 2018, 5, 1334−1342, 沈杨研究员和佘晓毅博士为共同第一作者，金崇君教授为通讯作者。该研究已申请PCT专利（CN 107941755 A, 2017.11.2），具有自主知识产权。

      以上研究得到国家自然科学基金委、广东省自然科学基金、广州市科技计划和光电材料与技术国家重点实验室等机构的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41377-018-0114-x

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsphotonics.7b01323