Water-Tolerant Plasmonic Hydrogen Sensors

Research Project, 2023 – 2027

H2-sensorer är centrala för en övergång till hållbara bränslen, eftersom de garanterar effektiv processövervakning längs hela H2-värdekedjan och den säkerhet som krävs på grund av vätgasens brandfarlighet när den blandas med luft. Plasmoniska optiska H2-sensorer är mycket selektiva och ultrasnabba. De är dock benägna att deaktiveras under fuktiga förhållanden, som alla andra H2-sensorer på marknaden. Detta är en allvarlig begränsning, eftersom fukttolerans är avgörande för H2-läckagedetektering i växlande väder eller för processövervakning i elektrolysörer eller bränsleceller. Syftet med detta projekt är därför att utveckla ett nytt H2 sensorkoncept med oöverträffad fukttålighet, där de efterföljande H2-aktiverings- och detektionsstegen är rumsligt frikopplade på olika typer av nanopartiklar, och på vilka ultratunna hydrofoba organiska skyddsskikt förhindrar vattenadsorption, samtidigt som de möjliggör H2-aktivering och detektion. För att utveckla dessa sensorer och dra nytta av forskargruppernas komplementära kompetenser kommer vi att använda en feedback-loop för rationell materialdesign som bygger på grundläggande förståelse och rigorös analys av sensorernas prestanda, baserad på första principens beräkningar och in situ spektroskopi. I sista steget kommer vi skala upp tillverkningen av sensorn med bäst prestanda för att nå TRL 4. Detta kommer att möjliggöra den första fukttåliga H2-sensorn, som vi förväntar oss bli ett avgörande element längs hela H2 värdekedjan.

Populärvetenskaplig beskrivning
Vätgas har identifierats som nyckelkomponent för att minska utsläppen av växthusgaser. Det skapar en ny arena av vätgasteknologier som inkluderar vätedrivna fordon, fartyg och flygplan, samt tankstationer, elektrolysörer, byggnadsvärmesystem, gasturbiner och fossilfri ståltillverkning. Alla dessa applikationer har gemensamt att väte antingen används i trånga utrymmen med begränsad ventilationsmöjlighet, och/eller nära eller till och med mitt i offentliga utrymmen eller i människors hem. Därför ökar risken för väterelaterade olyckor avsevärt, eftersom väte-luftblandningar är mycket brandfarliga. Konsekvenserna av sådana olyckor är dramatiska både ekonomiskt och med hänsyn till människors liv. För att på ett säkert sätt implementera vätgasteknik och minimera den olycksrelaterade risken för förseningar av denna implementering med förödande konsekvenser för klimatet, är det absolut nödvändigt att utveckla snabba och pålitliga vätgassensorer med en prestanda som idag saknas på marknaden eller till ett lägre pris. En speciellt stor utmaning, helt utan befintlig lösning, är sensorer som fungerar i fuktiga miljöer. Samtidigt är fukttåliga vätesensorer extra viktiga eftersom vätgasläckagemätningar kommer att äga rum i luft och vid varierande väderförhållanden. Dessutom är hög fukt allestädes närvarande i både elektrolysörer vid framställning av vätgas genom att elektrokemiskt spjälka vatten, och i bränsleceller där vätet reagerar med syre för att bilda vatten och elektricitet. Målet med detta projekt är därför att utveckla den första vattentåliga plasmoniska vätgassensorn med hjälp av den tvärdisciplinära kompetensen i vårt Svenskt-Israeliska forskarlag, som kommer att göra det möjligt att designa nya organisk-metalliska hybridmaterial baserat på fundamental förståelse av vattens negativa inverkan på sensorerna. Dessa nya rationellt framtagna material kommer sedan att möjliggöra en optisk vätesensor baserat på nanoteknik, som fungerar även i närmare 100 % relativ luftfuktighet och med samma prestanda, med avseende på svarstid och detektionsgräns, som nuvarande lösningar erbjuder. På detta sätt kommer projektet att ta ett efterlängtat språngsteg i vätesensorteknologi och genom tätt samarbete med Energimyndighetens nya kompetenscentrum TechForH2 på Chalmers och dess partnerföretag se till att de utvecklade lösningarna omedelbart blir tillgängliga för industrin, och därmed för den förestående H2-revolutionen, i strävan att dramatiskt minska vårt klimatavtryck.