Water-Tolerant Plasmonic Hydrogen Sensors
- Reference number
- SIP21-0032
- Project leader
- Langhammer, Christoph
- Start and end dates
- 221001-270930
- Amount granted
- 3 109 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
H2 sensors are essential for a transition to sustainable fuels, since they guarantee efficient process monitoring along the entire H2 value chain and the safety required due to the flammability of H2 in air. Here, plasmonic optical H2 sensors are highly selective and ultrafast. However, they are prone to deactivation in humid conditions, like any other H2 sensor on the market. This is a severe limitation, since humidity tolerance is critical for H2 leak detection in changing weather or for process monitoring in electrolyzers, fuel cells or fossil-free steel. The aim of this project is therefore to address this challenge by developing organic-catalytic-plasmonic H2 sensors: (i) in which the subsequent H2 activation and detection steps are spatially decoupled on different nanoparticles, and (ii) on which hydrophobic molecular coatings prevent water adsorption, while still enabling H2 activation and detection. To develop these sensors and capitalize on the complementarity of the research team, we will employ a feedback loop approach for rational materials design that is based on fundamental understanding and rigorous sensing performance analysis based on atomic scale modelling and surface spectroscopy experiments under working conditions, to systematically advance to TRL 4 by finally scaling up nanofabrication of the champion system. This will enable the first water tolerant H2 sensor, which we expect to become an indispensable element for many emerging H2 technologies.
Popular science description
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.