L'idrogeno sta svolgendo un ruolo sempre più importante nella transizione verso un'economia completamente sostenibile. È già utilizzato su larga scala nell'industria, ma viene anche utilizzato più spesso per lo stoccaggio di energia sostenibile e come carburante per veicoli grandi e pesanti in particolare. Ci sono piani per convertire la rete del gas naturale esistente in una rete dell'idrogeno. Però, in determinate circostanze, l'idrogeno è un gas combustibile e talvolta anche esplosivo, quindi è importante rintracciare le più piccole perdite di idrogeno il più rapidamente possibile. Questo rende economico, sensori affidabili in grado di rilevare rapidamente piccole quantità di idrogeno di vitale importanza. I ricercatori della TU Delft hanno ora sviluppato un materiale estremamente adatto a questo compito.

Attualmente l'idrogeno viene solitamente rilevato con apparecchiature relativamente grandi e costose, che spesso ha bisogno sia di ossigeno che di elettricità per funzionare correttamente. Questa combinazione di ossigeno ed elettricità può essere pericolosa in prossimità dell'idrogeno, rendendo i sensori inadatti a molte applicazioni.

I sensori ottici di idrogeno non presentano questi svantaggi. Questo tipo di sensore si basa sul fatto che le proprietà ottiche di alcuni materiali cambiano quando assorbono idrogeno nel momento in cui l'idrogeno è presente vicino al sensore. Questo cambiamento nelle proprietà ottiche può essere ad esempio misurato considerando la quantità di luce riflessa dal materiale. La chiave qui è trovare un materiale di rilevamento che assorba gradualmente più idrogeno all'aumentare della concentrazione di idrogeno in prossimità del sensore.

I materiali di rilevamento attualmente noti hanno tutti i loro limiti. Per esempio, possono misurare quantità relativamente elevate di idrogeno, rispondi lentamente, funzionano solo ad alte temperature (> 90 °C), oppure sono molto complicati da realizzare. Il sensore di Delft, a base di tantalio e palladio, non presenta nessuno di questi svantaggi:È in grado di rilevare con precisione l'idrogeno a temperatura ambiente, nonché a temperature più elevate e sia a basse che ad alte concentrazioni.

Nella loro ricerca del miglior materiale di rilevamento per un sensore ottico di idrogeno, i ricercatori di Delft hanno utilizzato un'ampia gamma di tecniche avanzate per caratterizzare i materiali. "Oltre alle misurazioni ottiche, abbiamo usato raggi X e radiazioni di neutroni prodotte dal nostro reattore di ricerca a Delft per ottenere una migliore comprensione dei materiali, " spiega Lars Bannenberg. "Da queste misurazioni acquisiamo una comprensione più profonda dei materiali che ci consente di migliorare le proprietà dei materiali. Ad esempio, sfruttiamo il fatto che i materiali si comportano in modo leggermente diverso da quello a cui siamo abituati quando sono estremamente sottili. Il sensore di idrogeno definitivo conterrà quindi solo uno strato sottile del materiale scoperto con uno spessore inferiore a un millesimo di capello umano".

Bilancia da cucina

Ciò che rende speciale questo materiale è che può misurare l'idrogeno su almeno sette ordini di grandezza di pressione. È paragonabile a una bilancia da cucina che può misurare qualsiasi cosa, da pochi grammi di farina al peso di un elefante, e tutti con la stessa relativa accuratezza. Ciò rende il sensore molto versatile:può essere utilizzato per misurare le più piccole perdite di idrogeno in una stazione di rifornimento di idrogeno, Per esempio, e anche per determinare la quantità di idrogeno in una cella a combustibile a idrogeno.

Un altro aspetto utile è l'eccezionale velocità di risposta del materiale sensibile:reagisce a una variazione della concentrazione di idrogeno entro una frazione di secondo, molto più veloce della maggior parte dei materiali, che spesso hanno tempi di risposta di diverse decine di secondi o addirittura minuti. Che un unico materiale possa fare tutto questo è stata una sorpresa per il team stesso:"Avevamo pensato di poter migliorare un po' i materiali attuali, ma che il nostro materiale risultasse avere tutte queste proprietà utili andava oltre i nostri sogni più sfrenati, "dice Bernard Dam.

Piani ambiziosi

È stata presentata una domanda di brevetto per il nuovo materiale di rilevamento e la rivista di fama internazionale Advanced Functional Materials ha pubblicato un articolo sulla scoperta. Ci sono progetti ambiziosi per il prossimo futuro. Per esempio, i ricercatori vogliono anche vedere se il materiale può essere utilizzato anche in sensori adatti all'uso a temperature molto basse (-50 °C), tali da poter essere utilizzati anche in aereo. "Oltre a questo, stiamo esplorando la possibilità di realizzare un prototipo di sensore che funzioni anche al di fuori del laboratorio, " dice Herman Schreuders. "Inoltre, vogliamo vedere se i sensori possono essere utilizzati nelle celle a combustibile a idrogeno".