封面 | 二维材料：光纤氢气传感器的新载体
封面解读
导读
论文提出一种基于钯（Pd）修饰六方氮化硼（hBN）的新型探针式光纤氢气传感器。通过深入研究hBN薄膜的机械特性、光学特性及气体吸附特性，指出其作为氢气敏感膜在机械、 光学、氢气吸附/脱附速度等方面具有显著的技术优势。该团队提出的新型探针式光纤氢气传感器，具有更快的响应速度和更高的灵敏度，在能源安全、生物医学、航空航天等领域具有重要应用前景。
1.
研究背景
氢气（H2 ）作为一种绿色的可再生能源，因优异的燃烧性能和无污染特性受到了大量关注。然而，氢气极易燃烧和爆炸，在制、储、运、用等环节中对氢气浓度的实时、精确探测，对于保障能源安全、提升能源利用效率具有重要意义。同时，在电力行业中，氢气是表征电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量，实时分析油中氢气含量，对判断变压器潜伏性故障类型及程度，确保电力设备安全稳定运行具有深远意义。
光纤氢气传感器因其具有抗电磁干扰和本质安全等优点受到了广泛关注。然而，目前的光纤氢气传感器普遍灵敏度较低、响应时间较长、长期稳定性较差，其关键瓶颈在于当前光学气敏薄膜材料性能不佳。对此，亟需研究新型光学气敏材料，全面提升光学气敏薄膜的机械稳定性能、气体吸附性能以及光学性能，探索出具有高灵敏度、高响应速度、高稳定性的氢气传感新方法。
六方氮化硼（Hexagonal Boron Nitride, hBN）具有机械强度高、化学稳定性好、比表面积大特点，可有效缩短H2分子吸附和脱附时间，并显著增强气体吸附效率。对此，论文提出一种基于钯（Pd）修饰hBN薄膜的新型探针式光纤氢气传感器，成功实现了对氢气的高灵敏度、高可靠性实时动态传感，在能源安全、生物医学、航空航天等领域具有重要应用前景。
2.
Pd/hBN光纤氢气传感器
图1 基于Pd修饰hBN薄膜的光学氢气传感器结构示意图
论文研究分析了hBN薄膜参数对传感器灵敏度的影响，结果如图2所示。通过分析可知，较薄和较大半径的hBN薄膜可以使传感器灵敏度更高。综合考虑传感器的制备成功率和稳定性，最终通过实验得到了最佳的薄膜参数并提出了完整的传感器制备方案。
图2 （a）薄膜不同位置处的形变量；（b）中心点形变量与薄膜几何参数之间的关系
传感器的性能测试结果如图3所示。气室中注入氢气浓度0.1%，传感器吸附氢气，产生光谱蓝移量为0.65 nm；在脱氢过程中，传感器光谱发生红移，红移量为0.64 nm，光谱基本恢复至初始位置。
图3 氢气浓度0.10%吸氢/脱氢过程光谱随时间变化情况。（a）吸附过程；（b）脱附过程
不同氢气浓度下传感器的响应结果如图4所示。由拟合直线方程知，传感器在10-6体积分数下的氢气检测灵敏度为0.58 pm，测算该氢气传感器的检测下限为~3×10-5。
3.
后续工作展望
基于hBN薄膜在机械、光学、化学等方面的特性，理论分析结合实验证明了该传感器在氢气测量灵敏度和响应速度等方面具有显著的技术优势。在下一阶段的工作中，研究团队将通过键合等工艺进一步提升该传感器的温度稳定性，推进其在工程应用领域的实用化进程。
课题组介绍
西安交通大学丁晖课题组（https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/dinghui）主要从事光纤传感技术、智能感知等方面的研究工作。课题组面向电力设备状态感知、石油测井等技术领域需求，长期致力于全光纤电场、磁场、温度、超声波及分布式光纤温度/振动等先进光纤传感技术的研究，所研制光纤传感器在电力设备状态检测、石油测井等应用领域取得良好的应用效果。欢迎对相关研究领域感兴趣的学生/学者加入。
科学编辑｜郭茂森
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