Новый энергоэффективный газовый сенсор обеспечит безопасность при использовании водорода
Ученые из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и группы электрохимического наноструктурирования МГУ с коллегами разработали эффективный каталитический датчик водорода на основе платинового микронагревателя и биметаллического катализатора. Результаты этой работы перспективны для создания систем обеспечения безопасности в нефтегазовой отрасли и актуальны в связи с развитием водородной энергетики.
Каталитические датчики широко применяются в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях для предотвращения пожаров и взрывов при выбросах горючих газов в атмосферу. Принцип их работы основан на беспламенном окислении горючих газов на поверхности наночастиц катализатора с интенсивным выделением тепла. Нагрев активной зоны сенсора от протекания каталитической реакции приводит к увеличению электрического сопротивления нагревателя, которое преобразуется в разность потенциалов. Полученная разность потенциалов пропорциональна концентрации горючих газов. Основной недостаток таких датчиков — высокое энергопотребление в рабочем режиме. Поэтому их миниатюризация и переход к технологии их производства на основе энергоэффективных тонкопленочных микронагревателей являются актуальными и важными задачами.
Водородная энергетика считается одним из перспективных и экологичных направлений современной энергетики. Она активно развивается, однако высокая воспламеняемость и взрывоопасность водорода требуют постоянного мониторинга его концентрации в атмосфере. Катализаторы на основе наночастиц палладия (Pd) и платины (Pt) демонстрируют высокую активность в каталитическом сжигании водорода. Они позволят сделать водородную энергетику значительно более безопасной. Химическая природа отклика сенсора в различных условиях эксплуатации до сих пор подробно не изучена. Поэтому российские ученые обратились к методам исследований, позволяющим изучать поведение катализатора в реальных условиях использования сенсоров (operando и in-situ). Такие подходы позволяют одновременно определять химический состав катализатора с измерением сенсорного отклика. Статья опубликована в International Journal of Hydrogen Energy. Работа поддержана Российским научным фондом (проект №25-13-00417).
Ученые исследовали химические превращения наночастиц палладия и платины, используемых в качестве катализатора для термокаталитических сенсоров водорода на основе планарных микронагревателей. Для этого они синтезировали катализатор 3Pd–Pt/AOА — биметаллический катализатор с мольным соотношением Pd:Pt = 3:1, нанесенный на порошок анодного оксида алюминия (AOA) как носитель. Были тщательно изучены структурные и химические характеристики катализатора, такие как его удельная площадь поверхности после отжига, размер наночастиц и степень окисления входящих в них элементов. Это оказались двухфазные наночастицы со средним размером около 19 нм: оксидная фаза на основе оксида палладия (PdO), легированного платиной, и металлическая Pt-Pd фаза обогащенная платиной. Такой состав обеспечил высокую активность сенсора и стабильность его показаний.
Далее исследователи изготовили тонкопленочные датчики на основе разработанного катализатора. Чтобы изучить их сенсорный отклик, они создали специальную operando‑ячейку — компактную камеру для измерений в реальных условиях. Она позволяла совместить измерение отклика датчика в синтетическом воздухе с добавлением водорода и регистрацию спектров поглощения рентгеновского излучения активной зоной сенсора при различных напряжениях питания. Благодаря этому ученые зафиксировали на работающем тонкопленочном сенсоре связь между степенью окисления палладия и измеряемым электрическим откликом.
«Наши результаты показали, что при работе датчика на воздухе палладий на катализаторе окисляется, и это блокирует каталитическое сгорание водорода при низких температурах. При достижении температуры активной зоны сенсора около 38°C в атмосфере синтетического воздуха с водородом оксид восстанавливается до металлического палладия, что сопровождается резким ростом отклика датчика», — рассказал Иван Калинин, младший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. Поэтому вместо ожидаемой плавной зависимости отклика от температуры ученые наблюдали ступенчатый переход: как будто датчик «выключается» оксидом палладия и «включается» металлическим палладием. Понимание роли PdO позволяет оптимизировать режим работы сенсоров как для детектирования низких концентраций водорода (до 12 миллионных долей), так и для значительного снижения энергопотребления прибора.
«Ключевым преимуществом разработанного нами планарного сенсора по сравнению с коммерчески доступными “объемными” аналогами, изготовленными с использованием проволочных нагревательных элементов, является возможность использования импульсного режима питания. Этот режим заключается в том, что сенсор раз в 15 секунд включается на короткое время, менее одной секунды, и надежно измеряет концентрацию водорода. При таком режиме питания энергопотребление сенсора может быть уменьшено до 3,2 мВт, что более чем на порядок меньше, чем у аналогов на основе проволочных нагревателей. Такое низкое значение позволяет рассчитывать на то, что эти сенсоры в ближайшем будущем смогут стать частью автономных, компактных и широко доступных устройств для обеспечения безопасности в местах использования и транспортировки водорода», — рассказал Кирилл Напольский, старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Исследование раскрывает фундаментальный механизм работы каталитических газовых сенсоров на атомарном уровне. Это открывает путь к созданию энергоэффективных, миниатюрных сенсоров водорода, способных работать при пониженной температуре без задержек отклика. Такие датчики позволят снизить энергопотребление сенсоров, что позволит удешевить мониторинг горючих газов на АЗС и промышленных объектах нефтегазовой отрасли. Кроме того, импульсный режим может быть применен в разработках «умных» сенсоров.
«В ближайшем будущем мы планируем разработать подходы к повышению долговременной стабильности работы этих сенсоров. При длительной работе сенсоров их чувствительность постепенно снижается в силу ряда причин, это приводит к необходимости регулярной перекалибровки приборов и, следовательно, снижает экономическую эффективность их использования», — добавил Кирилл Напольский.
В работе участвовали ученые из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, МГУ, Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».
Telegram 
Дзен 
VK Изучив данные о скорости изменения температур ледяных спутников пятой и шестой планеты системы, астрономы обнаружили, что она слишком высока для по-настоящему ледяной поверхности. Оказалось, что эти тела покрыты материалом, по своим свойствам резко отличающимся от земного льда.
Черные дыры, возможно, не такие «сломанные» объекты, как считалось полвека. Автор нового исследования показал, что даже в рамках Общей теории относительности черная дыра может избежать сингулярности — точки, где законы физики перестают работать. Если он прав, новая теория гравитации для «спасения» физики внутри космических «монстров» не понадобится.
Палеонтологи описали новый вид ископаемой птицы мелового периода, жившей на территории современного Китая 121 миллион лет назад. У маленькой птички размером с воробья были два необычайно длинных хвостовых пера, вдвое превышающих длину ее тела. Перья, по всей видимости, носили декоративный характер и двигались только вверх и вниз, что напоминает брачные игры самцов современных птиц.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно