前沿:钯基法布里-珀罗(FP)腔实现氢气泄露的肉眼观测

   2023-12-29 600
核心提示:前沿:钯基法布里-珀罗(FP)腔实现氢气泄露的肉眼观测

撰稿人 | 郑为


论文题目 | Naked-eye observation of water-forming reaction on palladium etalon: transduction of gas-matter reaction into light-matter interaction


作者Jongsu Lee, Eui-Sang Yu, Taehyun Kim, In Soo Kim, Seok Chung, Seung Jae Kwak, Won Bo Lee, Yusin Pak and Yong-Sang Ryu


完成单位 | 韩国科学技术研究院传感器系统研究中心,高丽大学生物医学工程学院

研究背景

      随着科学技术发展和社会需求的提升,工业、科研、生活等领域用气量逐渐增加,各种可燃气体的大量使用一定程度上增加了泄露等用气安全风险,因此气体探测技术对于用气安全至关重要。氢气在工业生产和科学研究中有着极为广泛的应用,氢能源也是绿色能源发展的重要技术手段。但是由于氢扩散能力强,极易泄露,在密闭空间中容易达到爆炸极限,各类因氢泄露导致的失火、爆炸等严重安全事故也屡见不鲜,氢气使用安全也因此受到广泛关注。

      氢气探测的方法和相应的传感器种类繁多,例如利用氢引起的电导/热导变化读取电信号、电化学、表面声波等探测手段,但是这些方法仍需要进一步数据处理和展示,难以直观地反应氢气暴露情况。颜色是一种直观的视觉方法,在不使用成像仪器的情况下通过颜色变化来检测和监测氢气具有重要的意义。虽然目前已有基于液晶-全息超表面结构对挥发气体实现视觉警报的气体传感器,但是如何实现将氢气与物质的反应转化为光学颜色的变化仍然需要新的设计方案。

论文导读

      作为重要的催化剂和氢吸收剂,钯在气体储存、纯化、检测和催化等领域具有广泛的应用。利用钯与氢气反应过程的光学现象,将气体-物质反应转化为光与物质的相互作用,可实现其表面化学性质和反应过程的可视化探测。近日,韩国科学技术研究院传感器系统研究中心高级研究员Yusin Pak和精准公共卫生跨学科项目、高丽大学生物医学工程学院Yong-Sang Ryu副教授合作,基于金属-电介质-金属的法布里-珀罗(FP)腔设计了比色反应器,利用钯与介电层界面处气泡和水膜的形成过程中产生的雾化效果(foggy effect)和乳白效果(whiteout effect),对氢气的催化反应进行实时显示。相关工作以“Naked-eye observation of water-forming reaction on palladium etalon: transduction of gas-matter reaction into light-matter interaction”为题于2023年6月26日发表于PhotoniX上。

主要研究内容

      本文通过钯基FP腔的设计将氢气与钯之间的化学反应转化为光与物质的相互作用。钯基FP腔的设计如图1a所示,包括上下两层钯薄膜和中间的气体渗透聚合物薄膜,其中上方的钯层实现气体的选择性穿透和吸附。在H2/O2氛围中,上下钯层之间的聚合物薄膜和钯金属界面处的不同气体反应路径具有不同的H2O形成现象,使得FP腔表现出剧烈的颜色变化:在氧气氛围下H2O以气泡的方式生成和生长,由于半球形水泡作为透镜会引起入射光的漫反射,从而形成颜色雾化效果(图1c,e);而在氢气氛围下,H2O以水膜的形式生成,其折射率与PBVE聚合物薄膜相当,由于介质膜的等效厚度增加引起可见光范围内产生高阶共振模式,形成乳白化的颜色效应(图1d,f)。

图1 钯基FP腔内H2O形成反应机理和光学现象。(a) 钯基FP腔的设计方案。(b) Pd (111)面上H2/O2解离吸附和H2O形成/脱附过程中的能量变化。(c-f) 气泡形成过程中的雾化效果与水膜形成过程中的乳白效果示意图。

      基于以上现象,研究团队制备了氢气泄露的可视化报警器(图2a所示的花瓣图案),该器件可实现气体诱导的动态光学着色,其氢气探测灵敏度小于7%。如图2所示,在注入H2后,制备的花瓣由黄色逐渐褪色,在600秒时被浅灰色覆盖(雾化效果),由于水泡的漫反射与角度无关,因此任何视角下该雾化效果均会出现;而同一区域注入O2时,黄色在240秒内变白(乳白效果),由于介电膜中光路长度变化,该器件颜色随着视角的不同而发生变化。实验团队将这种花瓣形的报警器安装在储氢装备中,即可以通过花朵图案颜色变化来判断H2泄漏。

图2 用于H2泄漏传感的可视化报警器。(a,b) 玻璃基板上12个花瓣形标准具样品的示意图(a)和实物图(b)。(c)不同气体环境下的颜色变化。(d)  在氢气泄露前后不同角度的颜色效果。(e,f) 用于H2泄漏警告的花瓣形标准器件设计方案(e)及其在小型化储氢装备中的演示(f)。

技术突破

      由于化学反应过程发生于原子尺度,对化学反应过程的检测往往需要利用扫描光电子显微镜(SPM)、低能电子显微镜(LEEM)、表面成像椭圆显微镜(EMSI)、反射各向异性显微镜(RAM)和透射电子显微镜(TEM)等复杂的装备和表征手段。本文巧妙结合钯的对氢气的吸附催化能力以及氢、氧环境下水生成的不同形式及其对FP腔呈现颜色的调控作用,将原子级的化学反应转化为FP腔中的光-物质相互作用,由于FP腔对介电环境极为敏感,因此可以将原子尺度的表面化学反应放大到更大尺度上,并利用肉眼可见的颜色变化实现化学反应的实时跟踪与监测。本文的理论模拟和实验结果证明了所提出的钯基FP腔具有良好的鲁棒性,在没有复杂成像仪器的条件下,利用这项技术可以直观地根据颜色变化来进行氢气暴露的警告显示。

观点评述

      本文利用钯对氢气的吸附催化性能,构建了钯基的法布里-珀罗腔,提出了动态光学着色技术。这项技术利用FP腔内催化反应生成水的形式不同所引起的颜色变化,实现了氢气(或氧气)与钯基底反应过程的肉眼监测。利用这项技术所构建的氢气泄露可视化报警器,可以实现氢气等危险气体的高灵敏、便利化探测,具有潜在的应用价值。同时,该工作中所展示的比色显示方法,对化学反应等微观过程实现了光学放大,为光学技术在各种界面物理、化学研究过程中实时观测中的应用提供了新思路。

主要作者


    Yong-Sang Ryu高丽大学健康科学学院生物医学系-副教授(2023-至今),韩国科学技术研究院(KIST)-高级研究员(2016-2023),美国明尼苏达大学双城分校-博士后(2013-2016)。研究领域基于MEMS/NEMS、生物医学工程以及电气/光学技术进行传感器芯片的开发,及其在疾病诊断等生物医学领域的应用。

本文出处

发表于:PhotoniX

论文链接:

https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-023-00097-1

文献检索:

PhotoniX 4, 22 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00097-1

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