Delftse onderzoekers ontwikkelen veelzijdige waterstofsensor

Nieuws - 02 maart 2021 - Communication TNW

Waterstof speelt een steeds belangrijkere rol in de transitie naar een compleet duurzame economie. Op dit moment wordt het al op grote schaal gebruikt in de industrie, en ook steeds vaker voor het opslaan van duurzame energie en het aandrijven van met name grote en zware voertuigen. Daarnaast zijn er plannen om het bestaande aardgasnet om te bouwen naar een waterstofnet. Maar waterstof is onder sommige condities een brandbaar en soms zelfs explosief gas. Daarom moeten de kleinste waterstoflekken zo snel mogelijk worden opgespoord. Goedkope, betrouwbare, en kleine sensoren die snel kleine hoeveelheden waterstof kunnen detecteren, zijn dus van vitaal belang. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een materiaal ontwikkeld dat hiervoor uitermate geschikt is. 

Momenteel wordt waterstof meestal gedetecteerd met relatief grote en dure apparaten, die vaak zowel zuurstof als elektriciteit nodig hebben om goed te kunnen werken. Deze combinatie van zuurstof en elektriciteit kan in de nabijheid van waterstof gevaarlijk zijn, wat de sensoren ongeschikt maakt voor veel toepassingen. 

Optische waterstofsensoren hebben deze nadelen niet. Dit soort sensoren zijn gebaseerd op het feit dat de optische eigenschappen van sommige materialen veranderen wanneer ze waterstof absorberen op het moment dat er waterstof aanwezig is in de nabijheid van de sensor. Die verandering in optische eigenschappen kun je bijvoorbeeld meten door te kijken naar de hoeveelheid licht die het materiaal reflecteert. De kunst is daarbij om een sensormateriaal te vinden dat geleidelijk meer waterstof opneemt naarmate de hoeveelheid waterstof in de omgeving toeneemt. 

Zoektocht
De sensormaterialen die tot nu toe bekend zijn, hebben allemaal zo hun beperkingen. Ze kunnen bijvoorbeeld alleen relatief grote hoeveelheden waterstof meten, reageren traag, functioneren alleen bij hoge temperaturen (>90 °C) óf zijn heel ingewikkeld om te maken. De Delftse sensor, op basis van tantaal en palladium, heeft deze nadelen niet: hij kan waterstof nauwkeurig detecteren bij zowel kamertemperatuur als hogere temperaturen én in hele kleine en grote hoeveelheden. 

In hun zoektocht naar het beste sensormateriaal voor een optische waterstofsensor hebben de Delftse onderzoekers een breed scala aan geavanceerde onderzoekstechnieken gebruikt. “Naast optische metingen gebruiken we röntgen- en neutronenstraling geproduceerd bij onze eigen onderzoeksreactor in Delft om de materialen beter te begrijpen”, legt Lars Bannenberg uit. “Door de metingen leren we de materialen te begrijpen, waardoor we de eigenschappen van de materialen kunnen verbeteren. We maken hierbij bijvoorbeeld gebruik van het feit dat materialen zich net wat anders gedragen dan we gewend zijn als ze heel dun worden gemaakt. In de sensor zit dus uiteindelijk maar een laagje materiaal dat dunner is dan een duizendste van een haar.” 
 

Figuur 1. Schematische weergave van de werking van de optische waterstofsensor. In de nabijheid van waterstof in de omgeving neemt het materiaal op basis van tantaal (Ta) en palladium (Pd) waterstof (H) op. Hoe meer waterstof in de omgeving, hoe meer waterstof het materiaal opneemt. Doordat het materiaal waterstof opneemt, veranderen de optische eigenschappen van het materiaal. Door dan bijv. de hoeveelheid licht te meten dat het materiaal reflecteert kan je dus de waterstofdruk of concentratie bepalen.

Keukenweegschaal
Bijzonder aan het materiaal is dat het waterstof kan meten over tenminste zeven ordes van grootte in druk. Dat is vergelijkbaar met een keukenweegschaal die zowel het een aantal grammen bloem als het gewicht van een olifant kan meten, en dat alles met dezelfde relatieve nauwkeurigheid. De sensor is daardoor breed toepasbaar. Hij kan gebruikt worden om de kleinste lekkages van waterstof te meten bij bijvoorbeeld een waterstoftankstation, maar de sensor is ook geschikt om de hoeveelheid waterstof in een waterstoftank te bepalen.

Bijzonder is ook de ongekende snelheid van het sensormateriaal: het reageert binnen een fractie van een seconde op een verandering in de hoeveelheid aanwezige waterstof, veel sneller dan de meeste materialen met responstijden van soms wel tientallen seconden of zelfs minuten. Dat dit allemaal kan met een materiaal was voor het team zelf ook een grote verassing: “We dachten wel dat we de huidige materialen enigszins konden verbeteren, maar dat ons materiaal over al deze nuttige eigenschappen zou beschikken hadden we niet durven dromen”, vertelt Bernard Dam.

Grootse plannen
Inmiddels is er patent aangevraagd voor dit nieuwe sensormateriaal en heeft het internationale gerenommeerde vakblad Advanced Functional Materials een artikel over deze vinding gepubliceerd. Voor de nabije toekomst zijn er grootse plannen. Zo willen de onderzoekers uitzoeken of het materiaal ook gebruikt kan worden in sensoren die geschikt zijn voor hele lage temperaturen (-50 °C), zodat ze ook in vliegtuigen kunnen worden gebruikt. “Daarnaast kijken we naar de mogelijkheid om een prototype te bouwen dat ook buiten het lab werkt” vertelt Herman Schreuders. “En we willen kijken of de sensoren gebruikt kunnen worden in waterstofbrandstofcellen.”
 

Assistant Professor

Lars Bannenberg

Herman Schreuders

Meer informatie


‘Tantalum‐Palladium: Hysteresis‐Free Optical Hydrogen Sensor Over 7 Orders of Magnitude in Pressurewith Sub‐Second Response, Lars Bannenberg’, Herman Schreuders, Bernard Dam, Advanced Functional Materials

Artikel
/* */