높은 광학적 수소 감지

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 890(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

유전체 격자(Al2O3), 가스변색 산화물(WO3) 및 촉매(Pd)를 기반으로 한 나노구조가 실온에서 작동하는 수소 센서로 제안되었습니다. 제작된 구조에서 Pd 촉매막은 1nm 정도로 얇아 광흡수가 크게 감소하였다. 높은 Q 유도 모드 공명은 수직 입사에서 투과 스펙트럼에서 관찰되었으며 수소 검출에 활용되었습니다. 스펙트럼은 합성 공기 중 0~0.12%의 수소(약 80% \({\text{N}}_{2}\) 및 20% \({\text{O}}_{2})에서 측정되었습니다. \)). 100ppm 미만의 수소 검출 한계가 입증되었습니다. 산소가 있는 상태에서 수소가 감지되었는데, 이는 센서 복구를 제공하지만 센서 반응을 억제합니다. 센서 응답은 노이즈 평균화를 효과적으로 수행하는 주성분 분석(PCA)으로 처리되었습니다. 온도와 습도의 영향을 PCA로 측정하고 처리한 후 습도와 온도 영향을 제거하였다. 수소 농도(시베르의 법칙)에 대한 센서 반응의 제곱근 의존성이 관찰되었습니다. 센서 교정 곡선이 작성되었으며, 센서 분해능은 40ppm을 찾았습니다. 센서의 장기 안정성이 조사되었습니다. 특히, 가스에 대한 수십 번의 반응과 6개월 후에도 센서의 기능을 유지하는 것으로 나타났습니다.

녹색 에너지 수요는 효율적이고 지속 가능하며 배출가스 없는 에너지 관리를 가능하게 하는 수소 기술 개발에 영감을 줍니다1. 이는 또한 수소 검출기와 분석기를 핵심 요소로 하는 수소 모니터링의 필요성을 야기합니다. 가장 일반적인 것은 금속 산화물 박막을 기반으로 하는 저항성 가스 센서이지만 작동 온도는 100~400°C이고 선택성은 제한적입니다2,3,4,5. 가열의 필요성을 피하기 위해 촉매(Pd, Pt)6,7,8에 인접한 금속 산화물(WO3, NiO 등)의 가스변색 특성을 기반으로 하는 광학 센서가 정교화되었습니다. 이러한 센서는 물질의 특성을 사용하여 가스와의 반응 결과로 흡광 계수 및/또는 굴절률을 변경합니다9. H2 및 기타 가스의 광학 가스 센서는 수십 및 수백ppm10의 감지 한계를 나타내며 이는 대부분의 응용 분야에 충분합니다.

삼산화텅스텐은 수소에 대한 반응이 뚜렷하여 광학적 H 검출을 위한 가장 유망한 플랫폼 중 하나입니다. 금속 산화물을 기반으로 한 효율적인 수소 센서를 개발하기 위한 주요 과제 중 하나는 산소 함유 대기에서 센서 반응이 크게 감소한다는 것입니다. 이는 산소와의 역반응으로 인해 발생하며 이는 광학 및 저항성 수소 센서의 성능에 영향을 미칩니다. 이 문제를 극복하려면 더 높은 감도가 필요합니다. WO3 기반 센서의 수소에 대한 가스변색 반응을 향상시키기 위해 도핑 및 나노구조화를 포함한 다양한 접근법이 사용되었습니다. 나노구조화의 주요 목표 중 하나는 빠른 반응을 제공하기 위해 건물 층을 얇게 유지하면서 광학 반응을 증가시키는 것입니다. 또한, 나노구조 표면을 따른 광학 경로는 적분 반응을 충분히 강하게 만들 수 있을 만큼 커야 합니다. 이러한 이유로 유도 모드 공진을 지원하는 구조가 매우 적합한 것으로 보입니다. 유도 모드 공진은 공진 파장의 조정 가능성과 높은 감도 덕분에 다양한 센서 개발에 널리 사용됩니다.

모든 센서의 필수 부분은 센서 데이터를 처리하는 알고리즘입니다. 많은 경우 적절한 처리 절차를 통해 감도가 향상될 수 있습니다. 광 센서의 경우 이 클래스의 센서의 복잡한 스펙트럼 응답으로 인해 데이터 처리가 특히 중요합니다.

본 연구에서는 산소 함유 분위기에서 작동하는 1D Al2O3/WO3/Pd 나노 구조를 기반으로 한 광 유도 모드 공진 수소 센서가 제안되고 연구되었습니다. 상당한 광학 손실을 피하기 위해 촉매 Pd 필름은 1 nm만큼 얇았습니다. 우리는 나노 구조에서 흡수 공명의 존재를 실험적으로 입증했으며 초박형 촉매 필름이 센서의 효과적인 기능인 높은 감도와 빠른 응답에 충분하다는 것을 보여주었습니다. 주성분 분석(PCA)에 의한 센서 데이터 처리를 통해 40ppm의 센서 분해능이 입증되었습니다. 노출된 대기의 습도를 변경하고 센서를 가열할 때 PCA에 의해 수소에 대한 선택성이 입증되었습니다. 몇 달 동안 집중적으로 사용한 후에도 센서는 반응이 다소 약해지고 느려졌지만 기능을 유지하는 것으로 나타났습니다.