Desarrollan el sensor de hidrógeno más rápido del mundo

Imagen: Mia Halleröd Palmgren / Chalmers University of Technology.

Investigadores de la Universidad Tecnológica Chalmers, en Suecia, han desarrollado los primeros sensores de hidrógeno que cumplen con los futuros objetivos de rendimiento para su uso en vehículos eléctricos impulsados por este gas, al ser capaz de detectar un 0,1 por ciento de hidrógeno en el aire en menos de un segundo.

El hidrógeno es un vector de energía limpia y renovable (o almacén energético) que puede impulsar vehículos mediante pilas de combustible, con el agua como la única emisión. El mayor inconveniente es que el gas hidrógeno es altamente inflamable cuando se mezcla con el aire, por lo que se necesitan sensores muy eficientes y efectivos para detectarlo y evitar incendios.

El sensor de hidrógeno más rápido del mundo

El sensor desarrollado por los investigadores de la Universidad Tecnológica Chalmers se basa en un fenómeno óptico, el plasmón, que se produce cuando las nanopartículas de metal se iluminan y capturan la luz de una cierta longitud de onda.

Es un nanosensor óptico que contiene millones de nanopartículas metálicas de una aleación de paladio y oro, un material conocido por su capacidad esponjosa para absorber grandes cantidades de hidrógeno. El fenómeno del plasmón hace que el sensor cambie de color cuando cambia la cantidad de hidrógeno en el ambiente.

El plástico que rodea el sensor no solo es una protección, sino que también aumenta el tiempo de respuesta al facilitar que las moléculas de hidrógeno penetren las partículas metálicas más rápidamente y, por lo tanto, se detecten con mayor rapidez.

Al mismo tiempo, el plástico actúa como una barrera, porque ninguna otra molécula del medio, aparte del hidrógeno, puede alcanzar las nanopartículas, lo que impide la desactivación.

“No solo hemos desarrollado el sensor de hidrógeno más rápido del mundo, sino también un sensor que es estable a lo largo del tiempo y no se desactiva”, explica Ferry Nugroho, investigador del Departamento de Física de Chalmers, en un comunicado. “A diferencia de los sensores de hidrógeno actuales, nuestra solución no necesita ser recalibrada tan a menudo, ya que está protegida por el plástico".

Los sensores rápidos y precisos son cruciales en una sociedad sostenible donde el hidrógeno es un vector de energía. Son necesarios tanto cuando se produce el hidrógeno como cuando se usa, por ejemplo, en automóviles propulsados por una pila de combustible. Ilustración: Yen Strandqvist. Imagen: Ella Marushchenko / Chalmers University of Technology.

Detectar hidrógeno: un reto

Hasta ahora, nadie había logrado alcanzar los estrictos requisitos de tiempo de respuesta impuestos a los sensores de hidrógeno para futuros vehículos de hidrógeno. Hay varios factores que dificultan la detección del gas hidrógeno.

El hidrógeno es invisible e inodoro, pero volátil y extremadamente inflamable. Solamente se requiere un 4 por ciento de hidrógeno en el aire para producir gas oxihidrógeno, que se enciende a la más mínima chispa. Para que los vehículos de hidrógeno y la infraestructura asociada sean lo suficientemente seguros, debe ser posible detectar cantidades extremadamente pequeñas de hidrógeno en el aire. Los sensores deben ser lo suficientemente rápidos para que las fugas puedan detectarse rápidamente antes de que ocurra un incendio.

"Con suerte, este sensor puede ser parte de un gran avance para los vehículos impulsados por hidrógeno. El interés que vemos en industria de pilas de combustible es inspirador", apunta Christoph Langhammer, profesor del Departamento de Física de Chalmers.

Aplicaciones en la industria, la energía y la medicina

Aunque el objetivo principal es utilizar el hidrógeno como vector de energía, el sensor también presenta otras posibilidades. Se necesitan sensores de hidrógeno altamente eficientes en la industria de la red eléctrica, la industria química y de la energía nuclear, y también pueden ayudar a mejorar los diagnósticos médicos.

“La cantidad de gas hidrógeno en nuestra respiración puede proporcionar respuestas a, por ejemplo, las inflamaciones y las intolerancias alimentarias. Esperamos que nuestros resultados puedan ser utilizados en un frente amplio", apunta Langhammer.

A largo plazo, se espera que el sensor pueda fabricarse en serie de una manera eficiente utilizando, por ejemplo, la tecnología de impresoras 3D.

Referencia

Metal–polymer hybrid nanomaterials for plasmonic ultrafast hydrogen detection. F. A. A. Nugroho et al. Nature Materials, 1 April 2019. DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-019-0325-4.