سيضمن مستشعر الغاز الجديد الموفر للطاقة السلامة عند استخدام الهيدروجين

تُستخدم أجهزة الاستشعار التحفيزية على نطاق واسع في صناعات النفط والغاز والتعدين لمنع الحرائق والانفجارات عند إطلاق الغازات القابلة للاشتعال في الغلاف الجوي. يعتمد مبدأ عملها على الأكسدة عديمة اللهب للغازات القابلة للاشتعال على سطح الجسيمات النانوية المحفزة مع إطلاق حرارة مكثفة. يؤدي تسخين المنطقة النشطة للمستشعر بسبب التفاعل الحفاز إلى زيادة المقاومة الكهربائية للسخان، والتي يتم تحويلها إلى فرق محتمل. ويتناسب فرق الجهد الناتج مع تركيز الغازات القابلة للاشتعال. العيب الرئيسي لهذه المستشعرات هو استهلاكها العالي للطاقة في وضع التشغيل. لذلك، فإن تصغيرها والانتقال إلى تكنولوجيا الإنتاج الخاصة بها استنادًا إلى سخانات الأغشية الرقيقة الدقيقة الموفرة للطاقة هي مهام ذات صلة وهامة. تعتبر الطاقة الهيدروجينية من أكثر مجالات الطاقة الحديثة الواعدة والصديقة للبيئة. إنه يتطور بنشاط، لكن القابلية العالية للاشتعال والانفجار للهيدروجين تتطلب مراقبة مستمرة لتركيزه في الغلاف الجوي. تُظهر المحفزات المعتمدة على البلاديوم (Pd) والجسيمات البلاتينية (Pt) النانوية نشاطًا عاليًا في الاحتراق الحفاز للهيدروجين. سوف يجعلون طاقة الهيدروجين أكثر أمانًا. لم يتم بعد دراسة الطبيعة الكيميائية لاستجابة المستشعر في ظل ظروف التشغيل المختلفة بالتفصيل. ولذلك، تحول العلماء الروس إلى أساليب البحث التي تسمح لهم بدراسة سلوك المحفز في ظل الظروف الحقيقية لاستخدام أجهزة الاستشعار (التشغيل وفي الموقع). تتيح مثل هذه الأساليب تحديد التركيب الكيميائي للمحفز وقياس الاستجابة الحسية في نفس الوقت. تم نشر المقال في المجلة الدولية للطاقة الهيدروجينية. تم دعم العمل من قبل مؤسسة العلوم الروسية (المشروع رقم 25-13-00417). درس العلماء التحولات الكيميائية لجسيمات البلاديوم والبلاتين النانوية المستخدمة كمحفزات لأجهزة استشعار الهيدروجين المحفزة حرارياً على أساس أجهزة التسخين الدقيقة المستوية. للقيام بذلك، قاموا بتركيب محفز 3Pd-Pt/AOA، وهو محفز ثنائي المعدن بنسبة مولية Pd:Pt تبلغ 3:1 مدعومًا بمسحوق أكسيد الألومنيوم الأنودي (AOA) كدعم. تمت دراسة الخصائص الهيكلية والكيميائية للمحفز، مثل مساحة سطحه المحددة بعد التلدين، وحجم الجسيمات النانوية وحالة أكسدة العناصر المكونة لها بعناية. وتبين أنها جسيمات نانوية ثنائية الطور يبلغ متوسط ​​حجمها حوالي 19 نانومتر: مرحلة أكسيد تعتمد على أكسيد البلاديوم (PdO) المشوب بالبلاتين، ومرحلة Pt-Pd معدنية غنية بالبلاتين. ضمنت هذه التركيبة نشاطًا استشعاريًا عاليًا واستقرارًا لقراءاتها. بعد ذلك، أنتج الباحثون أجهزة استشعار ذات أغشية رقيقة تعتمد على المحفز المطور. ولدراسة استجاباتهم الحسية، قاموا بإنشاء خلية عمل خاصة – وهي كاميرا مدمجة للقياسات في الظروف الحقيقية. لقد جعل من الممكن الجمع بين قياس استجابة المستشعر في الهواء الاصطناعي مع إضافة الهيدروجين وتسجيل أطياف امتصاص الأشعة السينية بواسطة المنطقة النشطة للمستشعر عند فولتات إمداد مختلفة. وبفضل هذا، سجل العلماء على جهاز استشعار يعمل بالأغشية الرقيقة العلاقة بين حالة أكسدة البلاديوم والاستجابة الكهربائية المقاسة. “أظهرت نتائجنا أنه عندما يتم تشغيل المستشعر في الهواء، يتأكسد البلاديوم الموجود على المحفز، وهذا يمنع الاحتراق الحفاز للهيدروجين عند درجات حرارة منخفضة. عندما تصل درجة حرارة منطقة المستشعر النشطة إلى حوالي 38 درجة مئوية في جو من الهواء الاصطناعي مع الهيدروجين، يتم تقليل الأكسيد إلى البلاديوم المعدني، والذي يصاحبه زيادة حادة في استجابة المستشعر”، كما قال إيفان كالينين، الباحث المبتدئ في مختبر الظواهر الكمومية الطوبولوجية في الموصلية الفائقة. الأنظمة في مركز الأساليب المتقدمة للفيزياء المتوسطة وتكنولوجيا النانو في MIPT. لذلك، بدلاً من الاعتماد السلس المتوقع للاستجابة على درجة الحرارة، لاحظ العلماء انتقالًا تدريجيًا: كما لو تم “إيقاف تشغيل” المستشعر بواسطة أكسيد البلاديوم و”تشغيله” بواسطة معدن البلاديوم. إن فهم دور PdO يجعل من الممكن تحسين وضع تشغيل المستشعرات لاكتشاف التركيزات المنخفضة من الهيدروجين (حتى 12 جزء في المليون) ولتقليل استهلاك الطاقة للجهاز بشكل كبير. “إن الميزة الرئيسية للمستشعر المستوي الذي قمنا بتطويره مقارنة مع نظائره “الحجمية” المتوفرة تجاريًا والمصنوعة باستخدام عناصر التسخين السلكية هي القدرة على استخدام وضع مصدر الطاقة النبضي. ويعني هذا الوضع أن المستشعر يعمل مرة واحدة كل 15 ثانية لفترة قصيرة، أقل من ثانية واحدة، ويقيس تركيز الهيدروجين بشكل موثوق. باستخدام وضع مصدر الطاقة هذا، يمكن تقليل استهلاك الطاقة للمستشعر إلى 3.2 ميجاوات، وهو أكثر من مرتبة أقل من نظائره المعتمدة على الأسلاك. وقال كيريل نابولسكي، كبير الباحثين في مختبر الظواهر الكمومية الطوبولوجية في أنظمة التوصيل الفائق في مركز الأساليب المتقدمة للفيزياء المتوسطة وتقنيات النانو في MIPT: “إن هذه القيمة المنخفضة تسمح لنا أن نتوقع أن تصبح هذه المستشعرات في المستقبل القريب جزءًا من أجهزة مستقلة ومدمجة ومتاحة على نطاق واسع لضمان السلامة في الأماكن التي يتم فيها استخدام الهيدروجين ونقله”. تكشف الدراسة عن آلية التشغيل الأساسية لأجهزة استشعار الغاز التحفيزي على المستوى الذري. وهذا يمهد الطريق لأجهزة استشعار الهيدروجين المصغرة الموفرة للطاقة والتي يمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة دون تأخير في الاستجابة. وستعمل مثل هذه المستشعرات على تقليل استهلاك أجهزة الاستشعار للطاقة، مما سيقلل من تكلفة مراقبة الغازات القابلة للاشتعال في محطات الوقود والمنشآت الصناعية في صناعة النفط والغاز. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام وضع النبض في تطوير أجهزة الاستشعار “الذكية”. وأضاف كيريل نابولسكي: “في المستقبل القريب، نخطط لتطوير أساليب لتحسين استقرار هذه المستشعرات على المدى الطويل. فعندما تعمل المستشعرات لفترة طويلة، تنخفض حساسيتها تدريجيًا لعدد من الأسباب، مما يؤدي إلى الحاجة إلى إعادة معايرة الأجهزة بشكل منتظم، وبالتالي يقلل من الكفاءة الاقتصادية لاستخدامها”. شارك في العمل علماء من مركز الأساليب المتقدمة للفيزياء المتوسطة وتقنيات النانو التابع لـ MIPT، وجامعة موسكو الحكومية، ومعهد إن إس كورناكوف للكيمياء العامة وغير العضوية التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، والمركز الوطني للبحوث “معهد كورشاتوف”.