01 導讀

能源、生態(tài)“雙重危機”的顯現(xiàn)，迫使人們重新審視人與自然的關系，也促使人們在解決“雙重危機”的路上不斷嘗試；在“碳中和”大勢下，氫能作為一種理想的含能體能源，將以一場能源革命，助力實現(xiàn)“碳中和”，以應對能源危機、推進全球氣候治理。然而，近年來，由于氫泄露引發(fā)的氫安全事故高發(fā)，導致人們“談氫色變”，氫安全技術也成為人們愈發(fā)關注的焦點。因氫爆炸極限（4.0%-75.6%）寬、點燃能（0.02mJ）低，當氫氣泄露并與空氣混合時極易燃；在氫能使用過程中，需對環(huán)境中的氫濃度進行實時監(jiān)測，保證其處于相對安全的濃度范圍。因此，為保證氫能安全、高效利用，精準、快速地監(jiān)測氫泄露與異常濃度變化是亟需解決的關鍵科學與技術問題之一。近期，大連理工大學彭偉教授團隊提出了一種光纖光-力協(xié)同氫濃度檢測技術，可用于大動態(tài)范圍、快速氫氣檢測。團隊利用鈀膜納米光機械腔實現(xiàn)了鈀膜中氫致應變與光信號的直接耦合，并將光信號與氫氣濃度的演變聯(lián)系起來；該技術的性能指標滿足了高靈敏、重復利用和長期穩(wěn)定的氫氣探測要求。研究成果以“Optics-mechanics synergistic fiber optic sensor for hydrogen detection”和“Photothermal-assisted hydrogen permeation enhancement”為題發(fā)表于Optics Express和Sensors and Actuators B： Chemical。大連理工大學物理學院張信普副教授為論文第一作者及通訊作者，博士生張旭暉為論文第一作者。

封面圖：光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器 圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 1）

02 研究背景

目前，我國能源消費需求仍在持續(xù)增長，這使得以化石能源為主導的現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)下的能源短缺問題變得更為嚴峻；此外，長久以來，以化石能源為主的能源體系在支持社會發(fā)展的同時，也為全球可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境治理埋下了巨大隱患，尤其是化石燃料生成的溫室氣體排放，直接導致空氣污染、氣候變化等全球性的生態(tài)危機。在眾多新能源中，氫能滿足了能量密度大、可再生的未來能源發(fā)展要求，作為一種理想的含能體能源，被視為能源的終極之路。

面對未來氫能源的巨大需求，發(fā)展氫安全技術是推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、氫能源戰(zhàn)略實施的重要前提；氫泄露監(jiān)測作為氫安全技術的關鍵環(huán)節(jié)，主要依靠氫氣傳感器實現(xiàn)氫泄漏預警，而氫氣傳感器的靈敏度、動態(tài)響應和穩(wěn)定性提升一直是氫氣檢測技術的熱點和難點。近年來，光纖氫氣傳感器作為一種本征安全的光學氫氣傳感器，具備結(jié)構(gòu)緊湊、遠距離探測、易復用/組網(wǎng)等優(yōu)勢，它的發(fā)展與應用有助于推動氫氣傳感器在網(wǎng)絡化的氫能存儲與輸配體系中發(fā)揮重要作用。為提升光纖氫氣檢測技術的低氫氣濃度靈敏度、長期穩(wěn)定性、響應速率等性能，實現(xiàn)精確、快速氫泄露與異常濃度變化監(jiān)測的挑戰(zhàn)性目標，研究具有高效氫氣檢測能力的光纖氫氣傳感器有著重要意義。

03 創(chuàng)新研究

3.1 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器制備

圖2 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器制備流程示意圖

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 2）

圖2為光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器制備流程示意圖。如圖2（a），利用熔接機將標準單模光纖與空芯光纖熔接；如圖2（b），在顯微鏡下將空芯光纖切平；如圖2（c），使用三維微位移平臺，將玻璃基底上形成的紫外固化膠微球轉(zhuǎn)移至空芯光纖端面；如圖2（d），利用磁控濺射鍍膜方法，在玻璃基底表面沉積一層鈀納米膜，并將帶有紫外固化膠的空芯光纖垂直緊壓在鈀納米膜上；如圖2（e），利用紫外線照射空芯光纖與鈀納米膜粘結(jié)處，最后，垂直提拉空芯光纖，鈀納米膜完整轉(zhuǎn)移到空芯光纖端面上，進而形成鈀納米膜光機械腔，而由于鈀膜的存在也使其具備氫敏響應能力。

3.2 氫濃度靜態(tài)探測

研究人員測試了基于光-力協(xié)同檢測機理的光纖氫氣傳感器的氫濃度靜態(tài)響應特性。如圖3為光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器對不同氫氣濃度的響應，從圖3（a）可以看出，隨著氫濃度增加，基于鈀納米膜的光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的反射光譜向短波方向移動；通過分析鈀納米膜厚度對傳感器氫敏響應特性的影響，得出鈀膜越薄傳感器的靈敏度越高，這一結(jié)論與理論預測相一致。

圖3 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器靜態(tài)氫敏響應

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 4）

3.3 氫濃度動態(tài)探測

圖4 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器動態(tài)氫敏響應

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 5）

如圖4所示為光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的氫濃度循環(huán)動態(tài)響應。實驗結(jié)果表明，隨著氫氣濃度增加，共振波長發(fā)生藍移，且在氫濃度上升與下降的過程中，同一氫氣濃度下的波長變化量非常接近，且不存在滯后現(xiàn)象。這也證明傳感器具有良好的重復性。圖5顯示了光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的響應時間和恢復時間。從圖中可以看出，響應時間和恢復時間均隨著氫氣濃度上升而縮短；傳感器的最短響應時間和恢復時間分別為10秒和25秒。由于到達較薄鈀膜的吸脫氫平衡狀態(tài)更快，而且吸氫后較薄的鈀膜能產(chǎn)生更大的形變，有利于提高光-力轉(zhuǎn)換速率，因此，鈀膜厚度會對光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的響應/恢復時間有顯著影響。

圖5 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的時間響應， （a）響應時間， （b）恢復時間

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 6）

3.4 傳感器恢復性能

圖6 氫-鈀反應前后鈀膜掃描電子顯微鏡照片及能譜分析。

圖源： Optics Express （2022）。 https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 9）

圖7 光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的恢復性能

圖源： Optics Express （2022）。

https://doi.org/10.1364/OE.468282 （Fig. 12）

通過分析吸氫前后鈀納米膜的表面形貌和能譜，可以了解吸脫氫過程對鈀納米膜的影響。從圖6（a）中的掃描電子顯微鏡照片可以看出，傳感器鈀納米膜非常平坦；圖6（b）為吸氫后鈀納米膜形貌，可以看出鈀納米膜產(chǎn)生了非常明顯的變形；從能譜分析結(jié)果可以看出傳感器端面的膜分布情況和基本結(jié)構(gòu)。圖7展示了光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的恢復性能。實驗結(jié)果表明，由于鈀納米膜這種換能結(jié)構(gòu)的引入，可通過控制鈀膜厚度抑制遲滯。

3.5光熱效應輔助氫滲透增強

圖8 光熱效應輔助氫滲透增強方案， （a） 基于980nm激光器的全光光熱技術示意圖， （b） 光熱輔助氫滲透增強示意圖

圖源： Sensors and Actuators B： Chemical （2022）。 https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131935 （Fig. 5）

如上所述，研究人員通過靜態(tài)和動態(tài)的氫氣檢測實驗，證明了傳感器的氫氣檢測能力，包括隨時間變化的動態(tài)響應、重復性和可逆性。隨后，研究人員通過實驗證明光熱效應對氫氣滲透和傳感器反應時間的增強作用。圖8（a）是基于980nm激光的光熱技術實驗示意圖。與常用波長解調(diào)系統(tǒng)相比，全光學光熱技術實驗系統(tǒng)增加了980nm加熱激光和波分復用器。980nm激光器作為熱源，980nm的光通過輸入光纖注入FP腔，照射鈀納米膜，由于鈀膜對980nm光的吸收及光熱轉(zhuǎn)換，使鈀膜溫度升高。因為提升反應溫度可增強氫氣滲透性，所以利用激光光熱技術提高反應溫度可有效地改善該光纖氫氣傳感器的時間響應。

圖9 氫-鈀反應溫度對氫滲透的影響

圖源： Sensors and Actuators B： Chemical （2022）。 https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131935 （Fig. 6）

為了說明光熱效應對氫滲透的影響，圖9給出了光熱效應對鈀的氫解離催化活性、氫原子熱運動和鈀晶格間隙影響的示意圖。首先，氫分子在鈀催化劑作用下分解成氫原子，且催化活性受溫度影響，隨著溫度升高，鈀的裂解催化活性和氫分子的裂解速率提高；其次，氫原子熱運動加速也對提高滲透速率有一定的效果；最后，鈀晶格間隙的擴大拓寬了氫原子的擴散通道。因此，提高反應溫度可能是一種容易實現(xiàn)且有效的增強氫滲透的方法，并可用于改善鈀基氫氣傳感器的時間響應特性。

圖10為光纖氫氣傳感器在不同加熱激光功率下的動態(tài)響應，這可用于分析光熱效應對氫滲透的影響。由于980nm的激光照射鈀膜時，會被鈀膜吸收，并轉(zhuǎn)換成熱，這會提升氫-鈀反應溫度。圖10顯示了1%氫氣濃度下，加熱激光功率對光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器動態(tài)響應的影響。從圖中可以看出，加熱激光功率不同，傳感器的響應時間和恢復時間有顯著變化，而對波長變化量無影響，這說明980nm加熱激光的引入對氫氣檢測結(jié)果無影響。

圖10 不同加熱激光功率下，光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的動態(tài)響應

圖源： Sensors and Actuators B： Chemical （2022）。 https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131935 （Fig. 7）

圖11 光熱效應對光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器時間響應的影響， （a）在不同的加熱激光功率下，光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器的動態(tài)響應， （b） 響應/恢復時間與加熱激光功率之間的關系

圖源： Sensors and Actuators B： Chemical （2022）。 https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131935 （Fig. 8）

圖11為光熱效應對光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器時間響應的影響。圖11（a）為加熱激光功率為0、60和120μW時，光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器在0%和1%氫氣濃度之間切換時的動態(tài)響應。如圖11（b）所示，響應時間和恢復時間隨著加熱激光功率的增加而縮短，這與理論預測吻合。實驗結(jié)果表明，基于光熱技術的氫氣滲透增強方案可用于改善光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器響應/恢復時間。

04 應用與展望

研究團隊提出的基于光-力協(xié)同檢測機制的光纖氫氣傳感器，可用于大動態(tài)范圍（0.5%-3.5%）、高靈敏度（-0.334?nm/1%）、快速響應/快速恢復（10秒/25秒）的氫濃度檢測。實驗結(jié)果證實，這種光纖光-力協(xié)同氫氣傳感器具有良好的重復性、長期穩(wěn)定性和較低的溫度交叉敏感。由于鈀納米膜的納米尺度和大比表面積的特點，使得該傳感器能實現(xiàn)快速氫吸脫附，并將氫致應力有效地轉(zhuǎn)換為光-力協(xié)同行為。這種基于光-力協(xié)同檢測機制的光纖氫氣傳感器為氫氣探測與氫濃度監(jiān)測提供了一種微型全光解決方案。此外，創(chuàng)新性地提出的光熱輔助氫氣滲透增強方案，可有效地提升氫氣的吸/脫附速率，有助于實現(xiàn)快速、實時、高效的氫氣檢測。

審核編輯 ：李倩