Delftse wetenschappers ontwikkelen zeer gevoelige waterstofsensor

Nieuws - 05 juni 2017

Waterstof is een veelbelovende energiedrager die steeds belangrijker wordt. Maar het kan gevaarlijk zijn, omdat het brandbaar is en moeilijk te detecteren. Om veilig gebruik te kunnen maken van waterstof als energiebron, zijn daarom sensoren nodig die zelfs de kleinste waterstoflekken kunnen opsporen. Wetenschappers van TU Delft, KU Leuven en het Rutherford Appleton Laboratory (VK) ontdekten dat het metaal hafnium hiervoor uitermate geschikt is.

Waterstof maakt een goede kans om fossiele brandstoffen in de nabije toekomst deels te vervangen als energiedrager. Het is schoon, want bij de verbranding ervan zijn waterdamp en warmte de enige restproducten, en met behulp van water en een energiebron (bijvoorbeeld zonne-energie), kun je er zoveel van maken als je wilt. Maar voordat we onze infrastructuur kunnen gaan inrichten op het gebruik van waterstof, zijn er nog wel wat hordes te nemen. Eén van die hordes is de betrouwbare detectie van waterstofgas. Waterstof reageert namelijk met zuurstof, wat in het ergste geval een explosie tot gevolg kan hebben. Maar afgezien daarvan willen we zo min mogelijk waterstof laten weglekken in de atmosfeer.

Grote gevoeligheid

Waterstof opsporen mag dan moeilijk zijn, het is zeker niet onmogelijk. Zo zijn er optische sensoren, materialen die waterstofatomen opnemen en waarvan vervolgens bijvoorbeeld de reflectie verandert. Die verandering kun je meten, waardoor je weet hoeveel waterstof op een bepaalde plek aanwezig is.

‘Tot nu toe werd vooral puur palladium gebruikt als optische waterstofsensor’, vertelt prof. Bernard Dam van de TU Delft. ‘Maar de laatste jaren hebben wij hier in Delft aangetoond dat een legering van goud en palladium een nog betere sensor is, en zijn collega’s wereldwijd dat gaan onderzoeken.’ Palladium-goud, waar ook sieraden van worden gemaakt, heeft het voordeel dat het op kamertemperatuur werkt. Helaas is het niet in staat om een lage waterstofdruk te detecteren.

Gemakkelijk ijken
Hafnium heeft die gevoeligheid wel, zo bleek uit dit in Nature Communications gepubliceerde onderzoek, dat geleid werd door PhD-kandidaat Christiaan Boelsma van TU Delft. Bernard Dam: ‘Het unieke aan dit materiaal is dat het optisch minimaal zes ordegroottes aan druk kan meten. De laagst gemeten druk is 10-7 atmosfeer, maar deze druk wordt door de meetopstelling bepaald. Het lijkt er op dat nog drie ordegroottes lager in druk gemeten kan worden met hafnium, al moeten we verder onderzoek doen om dat te bevestigen.’ Ook mooi meegenomen: de optische eigenschappen van hafnium veranderen lineair met de druk en de temperatuur van het materiaal. ‘Dat betekent dat de ijking van hafniumsensoren heel gemakkelijk is’, zegt Dam.

Is hafnium dan op alle fronten een betere waterstofsensor dan palladium-goud? Dat niet, want het materiaal werkt het beste bij een temperatuur van zo’n 120 graden Celsius. Maar dat probleem is volgens Dam eenvoudig op te lossen door een dun laagje hafnium bovenop een optische fiber te plaatsen, en die fiber vervolgens te verwarmen met behulp van een opwarm-LED (zie beeld).

Waterstofeconomie
In Delft wordt momenteel uitgebreid onderzoek gedaan naar waterstof. Eind vorig jaar onthulde prof. Fokko Mulder bijvoorbeeld de zogeheten ‘Battolyser’, een apparaat dat elektriciteitsopslag en waterstofproductie in één systeem combineert. De Battolyser maakt het mogelijk om goedkoop waterstof te maken en op te slaan, en heeft de zogeheten ‘waterstofeconomie’ een stap dichterbij gebracht. Dit onderzoek naar gevoelige waterstofsensoren is ook een stap in die richting.

‘Hafnium - An Optical Hydrogen Sensor Spanning Six Orders in Pressure’ is op 5 juni 2017 gepubliceerd in Nature Communications. Het onderzoek is gefinancieerd door FOM/NWO.