Hafnium is het ideale basismateriaal voor een waterstofsensor. Vooral als je heel lage concentraties wilt kunnen meten, schrijven Delftse onderzoekers in Nature Communications.

Bernard Dam en collega’s hebben het dan over een optische sensor die primair bedoeld is als alarm bij lekkages in waterstofsystemen. Op de kop van een glasvezel breng je een dunne laag aan van een metaal, dat met waterstof uit de omgeving reageert tot een hydride. Hierdoor veranderen de optische eigenschappen, wat je kunt meten door licht door de glasvezel te sturen en te kijken in welke mate het wordt gereflecteerd. Het grote voordeel is dat je dat meet aan het andere uiteinde van de glasvezel, op veilige afstand van de waterstof en het bijbehorende explosiegevaar.

Tot nu toe staat palladium te boek als het best geschikte metaal voor deze toepassing. Het werkt bij kamertemperatuur en het reageert vrij snel: partiële H₂-drukken van 10 tot 1.000 Pa worden binnen een minuut geregistreerd. Maar veel lager kun je qua druk niet gaan. Bovendien zit er nogal wat hysterese in: de respons op een stijgende concentratie ziet er anders uit dan die op een dalende.

Eerder ontdekten ze in Delft al dat een combinatie van palladium en goud beter werkt dan puur palladium, en nu schrijven ze dat hafnium nóg beter werkt. Je kunt er het meetbereik mee verruimen van 0,001 tot 1.000 Pa. Die bovengrens wordt gedicteerd door verzadiging van het hafnium maar de ondergrens ligt puur aan de meetopstelling, en Dam vermoedt dat de werkelijke detectiegrens nog drie ordegroottes lager ligt. Bovendien is de hysterese afwezig en is de respons vrijwel lineair, wat de kalibratie van de sensor een stuk makkelijker maakt.

Het werkt overigens niet met alleen maar hafnium: op het 40 nm dikke hafniumlaagje zit een 10 nm dikke palladiumlaag die H₂ actief absorbeert en in tweeën splitst, waarna het de vangst aan het hafnium doorgeeft.

Grootste nadeel is dat deze sensor optimaal werkt bij 120 °C, en niet bij kamertemperatuur. Maar daar heeft Dam ook al een oplossing voor: via dezelfde glasvezel kun je een infraroodbundel sturen die de sensor opwarmt.

bron: TU Delft