Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben kürzlich einen neuartigen Wasserstoffsensor entwickelt, der in feuchter Umgebung hervorragende Leistung zeigt und dessen Detektionsfähigkeit mit steigender Luftfeuchtigkeit zunimmt. Dieser Fortschritt könnte die Zuverlässigkeit der Sicherheitsüberwachung in Wasserstoffanwendungsszenarien verbessern. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Sensors“ veröffentlicht.

Wasserstoff als wichtiger Energieträger findet zunehmend breite Anwendung in Bereichen wie Transportwesen, chemische Industrie und grüner Stahlherstellung. Die entzündliche Natur von Wasserstoff erfordert jedoch, dass an allen Orten, an denen Wasserstoff vorhanden ist, zuverlässige Sicherheitssensoren installiert werden müssen, um Lecks rechtzeitig zu erkennen und die Bildung explosiver Wasserstoff-Sauerstoff-Gemische zu verhindern. Die derzeit gebräuchlichen Sensoren zeigen oft eine Leistungsabnahme in feuchter Umgebung, während Wasserstoff in realen Anwendungsszenarien häufig mit Feuchtigkeit koexistiert, beispielsweise in Umgebungsluft, innerhalb von Brennstoffzellen oder in der Nähe von Wasserstofferzeugungs- und -speichereinrichtungen. Dies macht die Entwicklung feuchtigkeitsbeständiger Wasserstoffsensoren zu einem dringenden Bedarf der Branche.

Der Hauptautor der Studie, Doktorand Athanasios Theodoridis, erklärte: „Die Leistung von Wasserstoffsensoren variiert erheblich in verschiedenen Umgebungen, wobei die Luftfeuchtigkeit ein wichtiger Einflussfaktor ist. Als wir unser neues Sensorkonzept testeten, stellten wir fest, dass die Reaktion auf Wasserstoff mit steigender Luftfeuchtigkeit stärker wird. Es dauerte eine Weile, bis wir das Prinzip hinter diesem Phänomen wirklich verstanden.“

Der neue Sensor ist klein und enthält Platin-Nanopartikel. Diese Partikel fungieren gleichzeitig als Katalysator und Sensorelement. Sie beschleunigen die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft und erzeugen dabei Wärme, die den Wasserfilm auf der Sensoroberfläche „zum Sieden und Verdampfen“ bringt. Die Wasserstoffkonzentration bestimmt die Menge des verdampften Wasserfilms, während die Luftfeuchtigkeit die Dicke des Wasserfilms steuert. Daher kann die Wasserstoffkonzentration durch Messung der Wasserfilmdicke abgeleitet werden. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto dicker der Wasserfilm und desto höher die Sensoreffizienz. Dieser Prozess kann durch das optische Phänomen der Plasmonenresonanz beobachtet werden: Wenn sich die Wasserstoffkonzentration ändert, verändert sich die Farbe der Platin-Nanopartikel, und bei Erreichen eines kritischen Niveaus wird ein Alarm ausgelöst.

Das Forschungsteam verifizierte die Stabilität des Sensors in Tests mit kontinuierlicher Exposition gegenüber feuchter Luft über mehr als 140 Stunden. Theodoridis wies darauf hin: „Die Tests zeigen, dass der Sensor unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen stabil arbeitet und Wasserstoff zuverlässig detektieren kann. Dies ist entscheidend für seinen Einsatz in realen Umgebungen.“

Professor Christoph Langhammer vom Fachbereich Physik der Chalmers University of Technology und Mitbegründer des Sensorunternehmens Insplorion sagte: „Mit der wachsenden Bedeutung von Wasserstoff in der Gesellschaft steigt auch der Marktbedarf nach kleineren, flexibleren, in Massenproduktion herstellbaren und kostengünstigeren Sensoren. Unser neues Sensorkonzept erfüllt diese Anforderungen gut.“ Er wies auch darauf hin, dass in Zukunft möglicherweise verschiedene Materialien kombiniert werden müssen, um Hochleistungs-Wasserstoffsensoren herzustellen, die an verschiedene Umgebungen angepasst sind.

Die Entwicklung dieses feuchtigkeitsbeständigen Wasserstoffsensors bietet einen neuen technologischen Ansatz für die Sicherheitsüberwachung in der Wasserstoffindustrie. Seine hohe Empfindlichkeit und Feuchtigkeitsanpassungsfähigkeit haben das Potenzial, Sicherheitsstandards in mehreren Bereichen wie Wasserstofftransport, Energiespeicherung und industrieller Produktion zu verbessern und die Anwendungsgrenzen zu erweitern.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Athanasios Theodoridis et al., Titel: „A Catalytic-Plasmonic Pt Nanoparticle Sensor for Hydrogen Detection in High-Humidity Environments“, veröffentlicht in: ACS Sensors (2025). Zeitschrifteninfo: ACS Sensors