用于超低氢检测的纳米图案氧化铜传感器面试

东京理科研究所的研究人员开发了一种新型氢气传感器，为实时氢气泄漏检测提供了一种很有前途的解决方案，解决了工业应用中的安全问题。该传感器由带空隙的纳米图案氧化铜 （CuO） 纳米线 （NW） 制成，可以检测极低浓度的氢气，具有高响应、恢复速度和精度，显著改进了以前的基于 CuO 的传感器。它有可能在清洁能源应用中更安全、更可靠地使用氢气。

随着我们转向清洁能源，氢气正成为越来越受欢迎的选择。它可以像传统燃料一样燃烧，只产生水作为副产品，用于燃料电池时可以发电。然而，随着氢气生产、使用和运输的增加，安全问题也随之增加。氢气在浓度低至 4% 时高度易燃，无味无色，因此难以检测泄漏。

为了解决这些问题，由东京理科研究所 （Science Tokyo） 的 Yutaka Majima 教授领导的研究人员开发了一种传感器，可以在非常短的响应时间内检测超低浓度的氢气。他们的研究于 2024 年 11 月 5 日发表在《Advanced Functional Materials》杂志上。

该传感器由纳米图案多晶 CuO NW 制成，对氢气高度敏感，放置在带有铂/钛电极的硅 （SiO₂/Si） 衬底上。Majima 教授说：“我们采用电子束光刻和两步非原位氧化开发了一种可靠且可重复的工艺，用于制备具有空隙的高性能纳米图案 CuO 纳米线-纳米间隙氢气传感器，这与直接从铜源生长的传统独立式单晶 CuO 纳米线有很大不同。

当暴露于氢气中时，传感器通过检测 CuO NW 的电阻变化来工作。在空气中，氧分子附着在 CuO NW 的表面，形成氧离子（、、），在表面附近感应出一层正电荷载流子（空穴）。当引入氢时，它与 CuO NWs 表面的氧离子反应形成水，从而降低空穴浓度。结果，NW 的导电性降低。通过测量电阻的增加，传感器可以检测氢气的存在和浓度。

研究人员通过在富氢环境中引入预退火步骤，然后在干燥空气中缓慢氧化，从而提高了传感器的性能。最初，制造的铜 （Cu） NW 具有低结晶度，并在表面形成铜氧化物层，阻碍了与氧的相互作用。退火工艺将 Cu NW 从矩形重塑为半圆形拱形，从而提高其结晶度。在随后的氧化步骤中，Cu NW 转化为氧化铜。在此过程中，铜原子向外扩散与氧反应，产生空隙，增加 NW 的表面积，为氢和氧与 NW 相互作用提供更多活性位点。

由于这些改进，该传感器可以检测到低至十亿分之 5 （ppb） 的氢气浓度，远低于以前基于 CuO 的 H2 传感器。此外，它还耐潮湿，这是 CuO 气体传感器的常见缺点。传感器响应迅速，仅需 7 秒即可检测到氢气。

研究人员通过减少电极之间的纳米间隙分离，进一步增强了传感器的性能。间隙越小，电场越强，越快电荷载流子的移动，越快传感器的响应和恢复速度越快。该传感器的间隙尺寸为 33 nm，仅需 5 秒即可检测到 1,000 ppm 的 H2，并在 10 秒内返回到基线条件。“我们将继续利用这种工艺开发更广泛的气体传感器，以制造用于其他有害气体的传感器，”Majima 教授说。

通过及早检测泄漏或不安全的气体水平，该传感器可以帮助降低风险并实现氢技术的安全采用，从而支持向氢经济过渡。

Ø  作者：Muqing Zhao1， Ryosuke Nitta1， Seiichiro Izawa1， Jun-ichi Yamaura2， and Yutaka Majima1*

Ø  题目：带空隙的纳米图案化 CuO 纳米线纳米间隙氢气传感器（Nano-Patterned CuO Nanowire Nanogap Hydrogen Gas Sensor with Voids）

Ø  期刊：Advanced Functional Materials

Ø  所属机构：

1 日本东京理科研究所综合研究所材料与结构实验室

2 日本东京大学固体物理研究所

翻译人：沈亚皓

来源：

https://fuelcellsworks.com/2024/12/17/h2/nano-patterned-copper-oxide-sensor-for-ultra-low-hydrogen-detection