An Orten, an denen Wasserstoff verwendet wird, werden in der Regel zuverlässige Sensoren zur Überwachung von Lecks benötigt, um die Bildung von brennbaren Gasgemischen zu verhindern. Feuchte Umgebungen beeinträchtigen jedoch häufig die Leistung bestehender Sensoren. Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden haben kürzlich einen neuartigen Wasserstoffsensor entwickelt, der nicht nur unter feuchten Bedingungen stabil arbeitet, sondern dessen Leistung mit steigender Luftfeuchtigkeit sogar zunimmt.
„Viele bestehende Sensoren reagieren in feuchter Umgebung langsamer oder ihre Leistung nimmt ab“, erklärt Athanasios Theodoridis, Doktorand und Erstautor der Studie. „Als wir unser neues Sensorkonzept testeten, stellten wir fest, dass die Reaktion auf Wasserstoff mit höherer Luftfeuchtigkeit stärker wird.“ Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „ACS Sensors“ veröffentlicht.
Die Anwendung von Wasserstoff in Bereichen wie Verkehr, chemischer Industrie und grüner Stahlproduktion wird immer häufiger, und die Einsatzumgebungen sind oft mit Feuchtigkeit verbunden. Beispielsweise erzeugen Brennstoffzellen bei der Energieerzeugung auch Wasser, und ihr Betrieb erfordert eine gewisse Luftfeuchtigkeit. Darüber hinaus schwankt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung von Wasserstoffspeicheranlagen je nach Wetterlage, weshalb feuchtigkeitsbeständige Wasserstoffsensoren für die Sicherheit besonders wichtig sind.
Dieser neue Sensor ist etwa so groß wie eine Fingerspitze und enthält Platin-Nanopartikel. Diese Partikel haben sowohl katalytische als auch sensorische Funktionen: Sie katalysieren die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff, die Wärme erzeugt und die Verdampfung eines dünnen Wasserfilms auf der Sensoroberfläche bewirkt. Die Wasserstoffkonzentration bestimmt das Ausmaß der Verdampfung, während die Umgebungsfeuchtigkeit die Dicke des Wasserfilms steuert. Daher kann die Wasserstoffkonzentration durch Überwachung der Dicke des Wasserfilms gemessen werden. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto dicker der Wasserfilm und desto höher die Empfindlichkeit des Sensors.
Farbveränderungen dienen als Indikator für die Wasserstoffkonzentration: Die Platin-Nanopartikel zeigen aufgrund von Plasmoneneffekten eine spezifische Färbung. Ändert sich die Wasserstoffkonzentration, ändert sich auch die Farbe, und bei Erreichen eines kritischen Wertes wird ein Alarm ausgelöst. Mit Unterstützung des Kompetenzzentrums TechForH2 wechselte das Team von einem auf Palladium basierenden Sensor zur Entwicklung dieses neuen platinbasierten „katalytischen plasmonischen Wasserstoffsensors“.
Das Forschungsteam testete den Sensor über 140 Stunden kontinuierlich unter feuchten Bedingungen. Theodoridis erklärt: „Er zeigte unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen stabile Leistung und konnte Wasserstoff zuverlässig detektieren. Dies bildet die Grundlage für seinen Einsatz in realen Umgebungen.“
Der Sensor kann Wasserstoffkonzentrationen von nur 30 ppm (Teile pro Million) erfassen und gehört damit zu den empfindlichsten wasserstofftoleranten Sensoren für feuchte Umgebungen. Christoph Langhammer, Professor für Physik an der Chalmers University of Technology, sagt: „Mit der zunehmenden Verbreitung von Wasserstoffanwendungen wächst der Marktbedarf nach kleineren, in Massenproduktion herstellbaren und kostengünstigeren feuchtigkeitsbeständigen Sensoren. Unser neues Konzept erfüllt genau diese Anforderungen.“ Er weist auch darauf hin, dass in Zukunft möglicherweise verschiedene Materialien kombiniert werden müssen, um Sensoren für unterschiedliche Umgebungen zu entwickeln.
Weitere Informationen: Autoren: Athanasios Theodoridis et al., Titel: „Catalytic Plasmonic Platinum Nanoparticle Sensors for Hydrogen Detection in High Humidity Environments“, veröffentlicht in: ACS Sensors (2025). Zeitschrifteninfo: ACS Sensors
