O sensor de hidrogênio mais rápido do mundo pode abrir caminho para energia limpa

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Fonte Chalmers : O hidrogênio é um transportador de energia limpa e renovável que pode alimentar veículos, com a água como única emissão. Infelizmente, o gás hidrogênio é altamente inflamável quando misturado ao ar, sendo necessários sensores muito eficientes e eficazes. Agora, pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, apresentam os primeiros sensores de hidrogênio para atender às metas futuras de desempenho para uso em veículos movidos a hidrogênio.

Os resultados inovadores dos pesquisadores foram publicados recentemente na prestigiosa revista científica Nature Materials. A descoberta é um nanosensor óptico encapsulado em um material plástico. O sensor funciona com base em um fenômeno óptico – um plasmônio – que ocorre quando as nanopartículas de metal são iluminadas e captam a luz visível. O sensor simplesmente muda de cor quando a quantidade de hidrogênio no ambiente muda.

O plástico ao redor do pequeno sensor não é apenas para proteção, mas funciona como um componente chave. Ele aumenta o tempo de resposta do sensor acelerando a captação das moléculas de gás hidrogênio nas partículas de metal, onde elas podem ser detectadas. Ao mesmo tempo, o plástico atua como uma barreira efetiva ao meio ambiente, impedindo que qualquer outra molécula entre e desative o sensor. O sensor pode, portanto, trabalhar de forma altamente eficiente e sem perturbações, permitindo atender às rigorosas exigências da indústria automotiva – ser capaz de detectar 0,1% de hidrogênio no ar em menos de um segundo.

“Nós não apenas desenvolvemos o sensor de hidrogênio mais rápido do mundo, mas também um sensor estável ao longo do tempo e que não é desativado. Ao contrário dos atuais sensores de hidrogênio, nossa solução não precisa ser recalibrada com tanta frequência, como é protegida pelo plástico ”, diz Ferry Nugroho, pesquisador do Departamento de Física da Chalmers.

Foi durante seu tempo como estudante de doutorado que Ferry Nugroho e seu supervisor, Christoph Langhammer, perceberam que estavam envolvidos em algo grande. Depois de ler um artigo científico afirmando que ninguém havia conseguido atingir os requisitos rigorosos de tempo de resposta impostos aos sensores de hidrogênio para os futuros carros a hidrogênio, eles testaram seu próprio sensor. Eles perceberam que estavam a apenas um segundo do alvo – sem sequer tentar otimizá-lo. O plástico, originalmente destinado principalmente como uma barreira, fez o trabalho melhor do que eles poderiam imaginar, tornando o sensor mais rápido. A descoberta levou a um intenso período de trabalho experimental e teórico.

“Nessa situação, não houve como nos deter. Queríamos encontrar a melhor combinação de nanopartículas e plástico, entender como elas funcionavam juntas e o que a tornava tão rápida. Nosso trabalho duro produziu resultados. Em apenas alguns meses, atingimos o tempo de resposta necessário, bem como a compreensão teórica básica do que o facilita ”, diz Ferry Nugroho.

Detectar o hidrogênio é um desafio em muitos aspectos. O gás é invisível e inodoro, mas volátil e extremamente inflamável. Requer apenas quatro por cento de hidrogênio no ar para produzir gás oxi-hidrogênio, às vezes conhecido como knallgas, que se inflama com a menor centelha. Para que os carros movidos a hidrogênio e a infra-estrutura associada do futuro sejam suficientemente seguros, deve ser possível detectar quantidades extremamente pequenas de hidrogênio no ar. Os sensores precisam ser rápidos o suficiente para que vazamentos possam ser rapidamente detectados antes que ocorra um incêndio.

“É ótimo apresentar um sensor que pode ser parte de um grande avanço para veículos movidos a hidrogênio. O interesse que vemos na indústria de células de combustível é inspirador ”, diz Christoph Langhammer, professor do Departamento de Física de Chalmers.

Embora o objetivo seja principalmente o uso do hidrogênio como portador de energia, o sensor também apresenta outras possibilidades. Sensores de hidrogênio altamente eficientes são necessários na indústria de redes elétricas, na indústria química e de energia nuclear, e também podem ajudar a melhorar os diagnósticos médicos.

“A quantidade de gás hidrogênio em nossa respiração pode fornecer respostas para, por exemplo, inflamações e intolerâncias alimentares. Esperamos que nossos resultados possam ser usados ​​em uma frente ampla. Isso é muito mais do que uma publicação científica ”, diz Christoph Langhammer.

A longo prazo, a esperança é que o sensor possa ser fabricado em série de maneira eficiente, por exemplo, usando a tecnologia de impressoras 3D.

Fatos: O sensor de hidrogênio mais rápido do mundo

• O sensor desenvolvido pela Chalmers é baseado em um fenômeno óptico – um plasmônio – que ocorre quando as nanopartículas de metal são iluminadas e captam a luz de um determinado comprimento de onda.

• O nanossensor óptico contém milhões de nanopartículas de metal de uma liga de paládio-ouro, um material que é conhecido por sua capacidade esponjosa de absorver grandes quantidades de hidrogênio. O efeito plasmon então faz com que o  sensor mude de cor quando a quantidade de hidrogênio no ambiente muda.

• O plástico ao redor do sensor não é apenas uma proteção, mas também aumenta o tempo de resposta do sensor, facilitando que as moléculas de hidrogênio penetrem as partículas de metal mais rapidamente e, portanto, sejam detectadas mais rapidamente. Ao mesmo tempo, o plástico atua como uma barreira efetiva ao meio ambiente, porque nenhuma outra molécula além do hidrogênio pode atingir as nanopartículas, o que evita a desativação.

• A eficiência do sensor significa que ele pode atender às rígidas metas de desempenho estabelecidas pela indústria automotiva para aplicação em veículos a hidrogênio do futuro, sendo capaz de detectar 0,1% de hidrogênio no ar em menos de um segundo.

• A pesquisa foi financiada pela Fundação Sueca para Pesquisa Estratégica, no âmbito do projeto Plastic Plasmonics.

Sobre o artigo científico:

O artigo “Metal – Nanomateriais Híbridos de Polímeros para Detecção Ultrafast Plasmônica” foi publicado na Nature Materials e é escrito por pesquisadores de Chalmers: Ferry Nugroho, Iwan Darmadi, Lucy Cusinato, Anders Hellman, Vladimir P. Zhdanov e Christoph Langhammer. Os resultados foram desenvolvidos em colaboração com a Universidade Técnica de Delft, na Holanda, a Universidade Técnica da Dinamarca e a Universidade de Varsóvia, na Polônia.

Para maiores informações:

Ferry Nugroho, Pesquisador, Departamento de Física, Chalmers University of Technology, +46 31 772 54 21, ferryn@chalmers.se

Christoph Langhammer, professor do Departamento de Física da Chalmers University of Technology, +46 31 772 33 31, clangham@chalmers.se