氢气一直被认为是一种理想的清洁能源，但由于它是一种无色无味且高度易燃的气体，在使用过程中也具有较高的风险。因此出于对氢气安全性考虑，研究重点在于如何开发出出色的氢气传感器上。同时低检测限、高灵敏度的氢气传感器也可用于医疗呼吸分析和肠道疾病诊断。
传统的氢气传感器需要在150℃或更高温度下工作，检测范围窄，容易受到其他组分气体干扰。
为了解决这一问题，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究人员受蝴蝶翅膀表面的启发，开发出了一种新型光驱动的蝴蝶式氢气传感器。
图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组
该传感器在室温下，可以通过光的驱动进而高精度检测氢气，而且还具有优异的选择性。它采用成熟的光子晶体制造工艺，可以轻松扩展到工业水平，可以一次快速生产数百个传感器。
该研究成果的灵感来源于蝴蝶翅膀表面凹凸微结构，以“Low-Temperature Hydrogen Sensor: Enhanced Performance Enabled through Photoactive Pd-Decorated TiO2 Colloidal Crystals”为题发表在ACS Sensors。
研究员Ebtsam K. Alenezy（一作）展示光驱动的氢气传感器
这种新型由光驱动的“蝴蝶式”氢气传感器，模仿蝴蝶的翅膀，表面覆盖有凹凸不平，间距很小的微结构。蝴蝶翅膀上这种纳米结构会影响光反射的方式，从而产生彩虹色，而该新型传感器则利用这些被称为光子晶体或胶体晶体的微小凸起有效地捕捉光。
这些中空的形状，类似于蝴蝶翅膀表面的微小凸起，这是一种高度有序的微结构，对光的吸收效率极高。这使得它能够从光束中吸收所需的能量，而不需要外部加热。
图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组
该传感器利用了纳米材料的催化原理，在导电薄膜上制备了TiO2阵列，表面包覆贵金属钯（Pd）。在光照条件下，当有氢气时，氢气会在材料表面与氧气反应生成水，表面的水层会使材料导电性发生变化，通过测量电流大小，就可以精确地检测出氢气浓度。同时该技术具有高度的选择性，可以准确地区分检测出氢气浓度。
该新型传感器的制作过程，以叉指电极（微间距电极结构）作为传感器基板。通过胶体光刻和等离子体刻蚀工艺将涂覆的聚苯乙烯薄膜，形成均匀的掩膜。并通过CVD工艺，进一步沉积TiO2薄膜，之后进行550℃的高温退火，以去除聚苯乙烯模板，同时非晶TiO2材料结晶形成TiO2长程有序晶体。最后通过ELP工艺对TiO2晶粒表面沉积贵金属钯（Pd）纳米颗粒（NPs）。
图源：ACS Sensors 5(12), 3902-3914(2020). Fig.1
在探究该新型氢气传感器的性能过程中，研究人员分别对其进行了不同偏压和不同光照强度的测试。实验结果表明：光照恒定（室温33℃），在一定范围偏压下（3V-9V），随着偏压的增加，传感器对氢气的响应也随之增加。同时，在9V偏压下，通过增加光照强度，得到线性灵敏度为6.2μA/ppm。
研究人员又继续在黑暗和光照条件下，对该传感器的选择性进行了对比测试。实验结果表明：在存在或不存在光照条件下，钯纳米颗粒对氢气的吸附都具有很好的选择性，测试响应远高于其他气体。但在光照条件下，会增大响应速度，缩短检测时间。
图源：中国科学院长春光机所，Light学术出版中心，新媒体工作组
该新型传感器由光驱动，因此与其他商业传感器（通常在150℃到400℃之间工作）相比，使用起来更便宜，更安全。它还具有很高的选择性，能够准确地区分氢气与其他电流传感器难以区分的其他气体。
同时，为了提高设备的灵敏度，该团队将继续进行实验以使传感器多层化，并尝试使用不同波长的光，改变材料以及使用不同的半导体，来优化传感器性能。该新型传感器有望应用于医疗呼吸分析和工业泄露检测等领域。
ACS sensors,vol.5,no.12,pp.3902-3914 (24-Dec-2020)
https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01387
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