東京科学研究所が率いる研究者らは、超低濃度の水素ガスを素早く検知できる先進的なナノパターンセンサーを開発し、産業安全性の大きな飛躍的進歩を示した。
水素は未来のクリーン燃料としてしばしば称賛され、持続可能なエネルギー源として急速に注目を集めています。水素には多くの利点があるにもかかわらず、非常に可燃性が高いため、大きなリスクがあります。こうした安全上の懸念を軽減するために、東京理科大学教授の真島豊氏が率いる研究チームは、超低濃度の水素ガスをほぼ瞬時に検出できる画期的なセンサーを開発しました。この革新は、研究で詳しく説明されています。 公表 学術誌「Advanced Functional Materials」に掲載。
新しく開発されたセンサーは、ナノパターン化された多結晶酸化銅ナノワイヤ (CuO NW) から作られ、プラチナ/チタン電極を備えたシリコン基板に取り付けられています。この構成により、センサーは 5 ppb という極微量の濃度の水素を検出でき、従来の CuO ベースのセンサーに比べて大幅に改善されています。
驚くべきことに、このセンサーはわずか 7 秒以内に水素ガスの存在を識別し、わずか 10 秒で通常の状態に戻ります。
「電子ビームリソグラフィーと2段階のex-situ酸化を採用して、空隙のある高性能ナノパターンCuOナノワイヤナノギャップ水素ガスセンサーを作製するための信頼性と再現性の高いプロセスを開発しました。これは、銅源から直接成長した従来の自立型単結晶CuOナノワイヤとはかなり異なります」とマジマ氏は述べた。 ニュースリリース.
センサーの動作は、CuO NW の電気抵抗の変化を検知することにかかっています。大気中では、酸素分子が CuO NW の表面に付着して酸素イオンを形成し、表面近くに正電荷キャリア層、つまり正孔層を形成します。
水素ガスが存在すると、表面の酸素イオンと反応して水が生成され、その後、正孔濃度が低下します。その結果、NW 内の抵抗が増加し、水素の存在が示されます。
研究者らは、センサーの性能を高めるために、水素を多く含む環境で事前アニール処理を行い、その後乾燥空気中でゆっくりと酸化する手順を導入しました。このプロセスにより、新しく製造された銅ナノワイヤが長方形から半円形のアーチに変化し、結晶性が向上しました。その後、酸化により Cu NW が CuO に変換され、表面に空隙ができて、水素と酸素の相互作用に利用できる活性部位が増えます。
もう一つの重要な改良点として、研究チームは電極間のギャップを 33 nm に縮小しました。この縮小により電界が強化され、電荷キャリアの移動が促進され、センサーの応答が速まりました。その結果、センサーはわずか 1,000 秒で 5 ppm の水素を検出しました。
真島氏は、この技術の幅広い可能性を強調し、「私たちはこのプロセスを使って、他の有害ガス用のセンサーも製造する幅広いガスセンサーの開発を続けていきます」と付け加えた。
この画期的な開発は、産業現場における水素の安全プロトコルを変革する可能性を秘めています。早期の漏れ検出を容易にし、水素レベルの信頼性の高い監視を保証することで、このセンサーは水素技術の安全で広範な導入を推進する上で極めて重要な役割を果たす可能性があります。この進歩は、水素ベースの経済への移行に向けた世界的な取り組みと一致しており、産業が水素ガスを管理および処理する方法に革命をもたらす可能性があります。