​Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Университета химии и технологии Праги предложили новые сенсоры на основе широкодоступного оптического волокна для точного детектирования молекул водорода в воздухе.

Такие системы в перспективе могут стать основой для «водородной сигнализации» и использоваться для обнаружения утечек взрывоопасного водорода. Предложенные сенсоры могут работать дистанционно — на расстоянии до сотен метров — в режиме онлайн. При этом они многоразовые, в десятки раз дешевле хроматографического анализа, и им не страшны газы окислители, губительные для традиционных сенсоров с электронными компонентами. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sensors (IF: 6,944; Q1).

Водород считается одним из перспективных альтернативных источников энергии. Однако его применение в качестве энергоносителя затруднено, в том числе и тем, что в смеси с кислородом или воздухом он взрывоопасен. Такое смешение с воздухом возможно, например, в случае утечки водорода из резервуара, где он хранится.

«Поэтому нужно детектировать молекулы водорода в газовой смеси. Сейчас это делают с помощью различных способов, в том числе с использованием электронных сенсоров, хотя они являются потенциальным источником искры. Поэтому мы обратили свое внимание на оптическое волокно. Это простой и коммерчески доступный материал. При этом можно максимально удалить сенсор от места детектирования, так как оптоволокно легко позволяет передавать информацию на большие расстояния. Сенсор может размещаться в двигателе машины, работающей на водороде, или в месте заправки, а в кабине может быть индикатор утечки», — отмечает один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Оптическое волокно представляет собой тонкие нити из оптически прозрачного материала — стекла или пластика. Они способны передавать цифровую информацию в форме светового импульса. Авторы статьи модифицировали нити волокна следующим образом. Удалив фрагмент оболочки волокна, они нанесли на это место тончайший слой золота методом магнетронного напыления. На поверхности этой «золотой зоны» возникает эффект поверхностного плазмонного резонанса. Он является источником аналитического сигнала. На этой золотой пластинке из матричного раствора исследователи вырастили металлоорганический каркас, состоящий из молекул цинка и специфических органических соединений.

«Этот каркас крайне чувствителен к водороду, он буквально захватывает из воздуха молекулы. При этом он инертен к другим газам. Чувствительность сенсора такой конструкции сопоставима со стационарным хроматографом, который в десятки раз дороже и требует квалифицированного персонала, — говорит Павел Постников. — Сейчас нам удалось добиться предела определимости ниже 2 %. То есть когда в воздухе появляется водород, наш сенсор может его засечь при концентрации ниже 2 %, при том что нижний порог взрываемости смеси водорода и кислорода порядка 4 %».

По его словам, основные преимущества разработанного сенсора — простота, чувствительность, возможность быстрой дистанционной диагностики.

«Еще очень важно, что сенсор легко работает в присутствии газов-окислителей — это, например, углекислый газ, различные оксиды. Дело в том, что современные сенсоры часто страдают недостатком — эти газы мешают сорбции водорода. А наш сенсор работает без затруднений на открытом воздухе, где таких газов очень много», — добавляет исследователь.

Похожие новости

  • 15/05/2019

    Аспирантка ТПУ представила нательные электронные сенсоры из оксида графена на конкурсе U-NOVUS

    ​В Томске в рамках форума U-NOVUS-2019 прошел очный этап конкурса разработок молодых ученых. На нем в Доме ученых свои проекты презентовали студенты, аспиранты и научные сотрудники вузов региона. Томский политехнический университет представила аспирантка Анна Липовка.
    905
  • 24/05/2018

    В ТПУ изучают соединения серы для астрохимии и астробиологии

    ​Фундаментальные свойства молекул соединений серы — их структуру и внутреннюю динамику — изучают ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Германии и Украины. Совместный проект коллектива поддержан фондом немецкого автомобильного концерна «Фольксваген».
    558
  • 29/01/2019

    Российские ученые предложили избавляться от мусора, добавляя его в топливо

    ​Специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) разработали экономически выгодный и экологически чистый метод утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) путем сжигания в составе композиционного топлива (низкосортный уголь + вода + жидкий горючий отход).
    586
  • 10/02/2018

    В ТПУ создают новый вид топлива из отходов

    Научный коллектив Томского политехнического университета изучает возможности использования промышленных и бытовых отходов для создания новых видов композиционных топлив. Проект поддержан стипендией Президента РФ на 2018-2020 годы.
    1026
  • 13/07/2017

    В ТПУ проверили на токсичность «ловушки» для свободных радикалов

    ​​Ученые Томского политехнического университета исследовали на токсичность фуллеренолы — водорастворимые производные фуллеренов. Сейчас эти вещества находятся на пике изучения и, благодаря своим уникальным свойствам, представляют интерес для фармакологической промышленности, медицины, металлургии, косметологии и других отраслей.
    1056
  • 12/04/2019

    Ученые России и Китая улучшили магнетит, способный маскировать технику

    ​Ученые ТПУ завершают совместный с коллегами из Китая проект по разработке быстрого и экономичного способа получения порошков оксида железа для создания материалов, поглощающих электромагнитное (сверхвысокочастотное, СВЧ) излучение.
    397
  • 02/01/2017

    Главные научные события 2016 года: секвенирование экзома, перепрограммирование клеток и трансфер технологий

    Редакция STRF.ru выяснила у представителей российского сектора исследований и разработок, что они считают главным научным событием 2016 года, каких наиболее значимых результатов они и их научные коллективы достигли в уходящем году, а также каковы их планы на 2017-й.
    1877
  • 10/12/2018

    Ученые ТПУ сделают выгодными отходы от производства биотоплива

    Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) испытывают технологию для переработки отходов, образующихся после производства биотоплива; благодаря разработанным в политехе серебряным и золотым катализаторам из отходов можно будет получать вещества, которые в десятки раз дороже исходного сырья, сообщил РИА Томск профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Алексей Пестряков.
    904
  • 12/03/2019

    ТГУ разработает новые катализаторы для ресурсосберегающей энергетики

    Проект международного научного коллектива лаборатории каталитических исследований ТГУ получил поддержку Российского научного фонда на разработку новых катализаторов для усовершенствования существующих каталитических технологий и создание технологических решений нового поколения.
    455
  • 07/11/2019

    Более 30 студентов и аспирантов ТПУ получили стипендии Президента и Правительства РФ

    ​В числе стипендиатов Президента РФ — четыре студента и семь аспирантов Томского политехнического университета. Стипендию Правительства России будут получать 13 студентов и семь аспирантов. В течение учебного года, помимо основной, они ежемесячно будут получать дополнительную стипендию.
    527