Российские учёные создали энергоэффективный датчик водорода для промышленной безопасности

Каталитические датчики давно применяются в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях для предотвращения пожаров и взрывов при выбросах горючих газов. Их принцип работы основан на беспламенном окислении газов на поверхности наночастиц катализатора с выделением тепла, что приводит к изменению электрического сопротивления и позволяет измерять концентрацию газов. Однако традиционные решения отличаются высоким энергопотреблением, что делает актуальными задачи миниатюризации и перехода к энергоэффективным технологиям.

Научный прорыв в исследовании катализаторов

Российские исследователи сосредоточились на изучении химической природы отклика сенсора в реальных условиях эксплуатации. Для этого они использовали методы operando и in-situ, позволяющие одновременно определять химический состав катализатора и измерять сенсорный отклик. Учёные синтезировали биметаллический катализатор 3Pd–Pt/AOА с мольным соотношением палладия к платине 3:1, нанесённый на порошок анодного оксида алюминия.

Исследование выявило, что катализатор состоит из двухфазных наночастиц средним размером около 19 нанометров: оксидной фазы на основе оксида палладия, легированного платиной, и металлической Pt-Pd фазы, обогащённой платиной. Такой состав обеспечил высокую активность и стабильность показаний сенсора. Особое внимание было уделено изучению связи между степенью окисления палладия и электрическим откликом датчика.

Практические преимущества и перспективы разработки

Ключевым открытием стало понимание роли оксида палладия (PdO) в работе сенсора. Учёные установили, что при работе датчика на воздухе палладий окисляется, блокируя каталитическое сгорание водорода при низких температурах. При достижении температуры активной зоны около 38°C в атмосфере синтетического воздуха с водородом оксид восстанавливается до металлического палладия, что вызывает резкий рост отклика. Это объясняет наблюдаемый ступенчатый переход вместо ожидаемой плавной зависимости.

Разработанный планарный сенсор обладает значительным преимуществом перед коммерческими «объёмными» аналогами с проволочными нагревательными элементами. Он позволяет использовать импульсный режим питания, при котором датчик включается раз в 15 секунд на время менее одной секунды для измерения концентрации водорода. Такой подход снижает энергопотребление до 3,2 мВт, что более чем на порядок меньше, чем у существующих решений.

Низкое энергопотребление открывает перспективы для создания автономных, компактных и широкодоступных устройств безопасности в местах использования и транспортировки водорода. Исследование раскрывает фундаментальный механизм работы каталитических газовых сенсоров на атомарном уровне, что важно для разработки энергоэффективных миниатюрных датчиков, способных работать при пониженной температуре без задержек отклика.

В будущем учёные планируют сосредоточиться на повышении долговременной стабильности работы сенсоров, поскольку со временем их чувствительность снижается, что требует регулярной перекалибровки и снижает экономическую эффективность. Работа поддержана Российским научным фондом и опубликована в International Journal of Hydrogen Energy, а в исследованиях участвовали специалисты из МФТИ, МГУ, Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт».