Een waterstofsensor die werkt op kamertemperatuur

Onderzoekers van de TU Delft hebben een zeer gevoelige en veelzijdige waterstofsensor ontwikkeld die op kamertemperatuur werkt. De sensor is gemaakt van een dunne laag van een materiaal genaamd wolfraamtrioxide.

Waterstof kan in de nabije toekomst fossiele brandstoffen als belangrijkste energiedrager vervangen. Van alle brandstoffen heeft het de hoogste energie per massa, en het kan duurzaam worden geproduceerd. Het is echter ook ontvlambaar, waardoor sensoren die het kunnen detecteren een absolute noodzaak zijn voor de overgang naar een waterstofeconomie. Er bestaan al verschillende soorten waterstofsensoren, maar de meeste functioneren alleen bij hoge temperaturen. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een sensor ontwikkeld die op kamertemperatuur werkt.

Een kristallijn materiaal
De nieuwe sensor is gemaakt van een materiaal genaamd wolfraamtrioxide. Een van de eigenschappen van wolfraamtrioxide is dat het kristalrooster veel open ruimtes bevat. Als gevolg daarvan kan het materiaal gemakkelijk worden ‘gedoteerd’. Dat is het veranderen van de elektronische eigenschappen door andere atomen in het materiaal in te brengen.

“Op zichzelf is wolfraamtrioxide een isolator”, zegt Giordano Mattoni, de hoofdauteur. “Maar als je het doteert voeg je elektronische ladingen toe die het materiaal een andere kleur geven en het ook geleidelijk veranderen in een metaal. We wilden proberen dunne films wolfraamtrioxide met waterstofgas te doteren, om te zien of het als sensor kon functioneren.”.

Dat bleek inderdaad zo te zijn. De onderzoekers creëerden eerst dunne laagjes wolfraamtrioxide met een methode genaamd ‘pulsed laser deposition’. Zo konden ze het materiaal laagje voor laagje op een substraat deponeren. “Op deze manier konden we laagjes wolfraamtrioxide maken met een dikte van slechts negen nanometer”, aldus Mattoni.

Kamertemperatuur
De onderzoekers plaatsten platina druppels bovenop de dunne lagen wolfraamtrioxide. Platina staat bekend als een katalysator die de waterstofmoleculen scheidt in afzonderlijke waterstofatomen. Deze atomen, zo observeerden de onderzoekers, konden vervolgens de rasterstructuur van wolfraamtrioxide binnendringen, en het zodoende langzaam van een isolator in een metaal veranderen. “Dit betekent dat we door het meten van de weerstand van het materiaal kunnen bepalen hoeveel waterstof er in de omgeving aanwezig is”, legt Mattoni uit.

Wat deze nieuwe waterstofsensor onderscheidt van de meeste andere sensoren is dat hij werkt op kamertemperatuur. “De sensor is ook veel gevoeliger dan in commercieel verkrijgbare producten en kan binnen enkele minuten worden hergebruikt”, voegt Mattoni toe. “Ook kan door het verhogen of verlagen van de temperatuur van de sensor het gevoeligheidsbereik voor verschillende toepassingen worden ingesteld.

Tot slot maakt het feit dat de sensor uit een dun laagje materiaal bestaat, alsmede de compatibiliteit met bestaande halfgeleidertechnologieën, het mogelijk om de sensor op te schalen voor massaproductie. Mattoni en de TU Delft hebben een octrooiaanvraag ingediend voor de nieuwe sensortechnologie.