Capteur hydrogène résistant humidité : sécurité améliorée pour l’énergie propre

 
Là où l’hydrogène est présent, des capteurs de sécurité sont nécessaires pour détecter les fuites et empêcher la formation de gaz oxyhydrique inflammable lorsque l’hydrogène est mélangé à l’air. Il est donc problématique que les capteurs actuels ne fonctionnent pas de manière optimale dans les environnements humides – car là où il y a de l’hydrogène, il y a très souvent de l’humidité. Maintenant, des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers, Suède, présentent un nouveau capteur bien adapté aux environnements humides – et dont les performances s’améliorent effectivement à mesure que l’humidité augmente.

« Les performances d’un capteur de gaz hydrogène peuvent varier considérablement d’un environnement à l’autre, et l’humidité est un facteur important. Un problème aujourd’hui est que de nombreux capteurs deviennent plus lents ou moins efficaces dans les environnements humides. Lorsque nous avons testé notre nouveau concept de capteur, nous avons découvert que plus nous augmentions l’humidité, plus la réponse à l’hydrogène devenait forte. Il nous a fallu un certain temps pour vraiment comprendre comment cela était possible », explique Athanasios Theodoridis, doctorant à Chalmers et auteur principal de l’article dans la revue ACS Sensors.

L’hydrogène est un vecteur énergétique de plus en plus important dans le secteur des transports et est utilisé comme matière première dans l’industrie chimique ou pour la fabrication d’acier vert. En plus de l’eau constamment présente dans l’air ambiant, elle se forme également lorsque l’hydrogène réagit avec l’oxygène pour générer de l’énergie, par exemple dans une pile à combustible utilisée dans les véhicules et navires à hydrogène. De plus, les piles à combustible elles-mêmes nécessitent de l’eau pour empêcher les membranes qui séparent l’oxygène et l’hydrogène à l’intérieur de se dessécher.

Les installations où l’hydrogène est produit et stocké sont également constamment en contact avec l’air ambiant, dont l’humidité varie considérablement dans le temps en fonction de la température et des conditions météorologiques. Par conséquent, pour garantir que le gaz hydrogène volatile ne fuit pas et ne crée pas d’oxyhydrique inflammable, des capteurs fiables tolérant l’humidité sont également nécessaires ici.

Le capteur fait « bouillir » l’humidité

Le nouveau capteur d’hydrogène tolérant l’humidité de Chalmers tient sur le bout d’un doigt et contient de minuscules particules – des nanoparticules – du métal platine. Les particules agissent à la fois comme catalyseurs et comme capteurs. Cela signifie que le platine accélère la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène de l’air, ce qui entraîne un dégagement de chaleur qui fait « bouillir » l’humidité, sous la forme d’un film d’eau à la surface du capteur. La quantité d’hydrogène dans l’air détermine la proportion du film d’eau qui bouit, et la teneur en humidité de l’air contrôle l’épaisseur du film. Il est donc possible de mesurer la concentration d’hydrogène en mesurant l’épaisseur du film d’eau. Et comme l’épaisseur du film d’eau augmente avec l’humidité de l’air, l’efficacité du capteur augmente au même rythme. Le résultat de ce processus peut être observé grâce à un phénomène optique appelé plasmons, où les nanoparticules de platine capturent la lumière et leur donnent une couleur distincte. Lorsque la concentration de gaz hydrogène dans l’environnement change, les nanoparticules changent de couleur, et à des niveaux critiques, le capteur déclenche une alarme.

À Chalmers, le développement de capteurs de gaz hydrogène plasmoniques est en cours depuis de nombreuses années. L’équipe de recherche du professeur Christoph Langhammer a réalisé plusieurs percées majeures dans le domaine en termes de vitesse et de sensibilité des capteurs, ainsi que de la capacité à optimiser la réponse du capteur et la résistance à l’humidité grâce à l’IA. Auparavant, le groupe basait ses capteurs sur des nanoparticules du métal palladium, qui absorbe l’hydrogène à peu près comme une éponge absorbe l’eau. Le nouveau concept à base de platine, développé dans le cadre du centre de compétences TechForH2 à Chalmers, a conduit à la création d’un nouveau type de capteur – un « capteur de gaz hydrogène plasmonique catalytique » – qui ouvre de nouvelles possibilités.

« Nous avons testé le capteur pendant plus de 140 heures d’exposition continue à de l’air humide. Les tests ont montré qu’il est stable à différents degrés d’humidité donnés et peut détecter de manière fiable le gaz hydrogène dans ces conditions, ce qui est important s’il doit être utilisé dans des environnements réels », affirme Athanasios Theodoridis.

La transition énergétique exige davantage des capteurs

Selon les mesures des chercheurs, le capteur détecte l’hydrogène jusqu’à la plage des « parties par million » : 30 ppm – soit trois millièmes de pour cent, ce qui en fait l’un des capteurs de gaz hydrogène les plus sensibles au monde dans les environnements humides.

« Il existe actuellement une forte demande pour des capteurs performants dans les environnements humides. Alors que l’hydrogène joue un rôle de plus en plus important dans la société, les exigences augmentent pour des capteurs non seulement plus petits et plus flexibles, mais aussi capables d’être fabriqués à grande échelle et à moindre coût. Notre nouveau concept de capteur répond bien à ces exigences », souligne Christoph Langhammer, professeur de physique à Chalmers et l’un des fondateurs de la société de capteurs Insplorion, où il occupe désormais un poste de conseiller.

Il reconnaît également que plus d’un type de matériau pourrait être nécessaire pour que les futurs capteurs de gaz hydrogène fonctionnent dans tous les types d’environnements.

« Nous nous attendons à devoir combiner différents types de matériaux actifs pour créer des capteurs performants quel que soit l’environnement. Nous savons maintenant que certains matériaux offrent vitesse et sensibilité, tandis que d’autres résistent mieux à l’humidité. Nous travaillons maintenant à appliquer ces connaissances à l’avenir », conclut Christoph Langhammer.

Le nouveau capteur d’hydrogène de l’Université de technologie de Chalmers, en Suède, est basé sur de minuscules particules du métal platine. Les particules agissent à la fois comme catalyseurs et comme capteurs, et le capteur est bien adapté aux environnements humides. Ses performances s’améliorent effectivement à mesure que l’humidité augmente. (Les particules de platine sur cette image de microscope ont été colorées.) 

Article : A Catalytic-Plasmonic Pt Nanoparticle Sensor for Hydrogen Detection in High-Humidity Environments – Journal : ACS Sensors – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Chalmers U.