H₂-Detektion verbessert Wasserstoffsensor liebt die Feuchtigkeit

Während herkömmliche Wasserstoffsensoren in feuchter Umgebung schwächeln, wird ein neues schwedisches Design bei hoher Luftfeuchtigkeit sogar empfindlicher. Das Geheimnis: Platin-Nanopartikel nutzen Wasserdampf als Verstärker.

Die Wasserstofftechnik boomt in Deutschland: Von Infineons Sensor XENSIV TCI bis zu geförderten Projekten wie H₂-Control und HySABi arbeitet die deutsche Industrie intensiv an zuverlässigen H₂-Detektoren. Ein zentrales Problem dabei: Bestehende Sensoren versagen oft bei hoher Luftfeuchtigkeit. Kritisch wird es dann, wenn Wasserstoff auftritt. Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden präsentieren jetzt einen neuartigen Ansatz, der dieses Problem elegant löst.

Das Feuchtigkeit-Dilemma der Wasserstoffsensorik

Überall wo Wasserstoff präsent ist, sind Sicherheitssensoren unverzichtbar. Das beginnt bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen und reicht über Tankstellen bis hin zu industriellen Speicheranlagen. Das Problem: Die meisten aktuellen Sensoren werden in feuchter Umgebung langsamer oder unzuverlässiger. Gleichzeitig entsteht Wasserdampf zwangsläufig bei der H₂-Reaktion in Brennstoffzellen, und die Membranen benötigen sogar zusätzliche Feuchtigkeit, um nicht auszutrocknen.

„Die Performance von Wasserstoffsensoren variiert drastisch je nach Umgebung, und Feuchtigkeit ist ein kritischer Faktor“, erklärt Doktorand Athanasios Theodoridis von der Chalmers University, Hauptautor der in ACS Sensors veröffentlichten Studie. „Viele Sensoren werden in feuchter Umgebung träger oder weniger effektiv. Bei unserem neuen Sensorkonzept entdeckten wir das Gegenteil: Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto stärker die Wasserstoff-Response.“

Platin-Nanopartikel als Dual-Function-Element

Der fingerkuppengroße Sensor basiert auf einem Dual-Function-Prinzip: Platin-Nanopartikel fungieren gleichzeitig als Katalysator und Sensorelement. Die Platinpartikel beschleunigen die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Luftsauerstoff, wodurch Wärme entsteht. Diese lässt den Feuchtigkeitsfilm auf der Sensoroberfläche „wegkochen“.

Das Messprinzip im Detail:

• H₂-Konzentration bestimmt, wie viel Wasserfilm verdampft

• Luftfeuchtigkeit kontrolliert die Filmdicke

• Wasserstoffgehalt wird über die Filmdicken-Messung bestimmt

• Höhere Feuchtigkeit = dickerer Film = bessere Sensoreffektivität

Die Detektion erfolgt über plasmonische Effekte: Die Platin-Nanopartikel absorbieren Licht und zeigen charakteristische Farbänderungen. Bei kritischen H₂-Konzentrationen löst das System Alarm aus.

Eine Sensitivität von 30 ppm in feuchter Umgebung

Die Messergebnisse sind beeindruckend: Der Sensor detektiert Wasserstoff bis hinunter zu 30 ppm (0,003 Prozent) und das speziell in feuchter Umgebung. Damit gehört er zu den empfindlichsten H₂-Sensoren weltweit für diese Anwendungsbedingungen.

Charakteristische Leistungsdaten:

• Detektionsschwelle: 30 ppm H₂

• Langzeitstabilität: >140 Stunden Dauerbetrieb

• Besonderheit: Performance steigt mit Luftfeuchtigkeit

• Optische Detektion via Plasmon-Resonanz

„Wir testeten den Sensor über 140 Stunden kontinuierlich in feuchter Luft“, sagt Theodoridis. „Die Tests zeigten stabile Performance bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden und zuverlässige H₂-Detektion unter realen Bedingungen.“

Vom Palladium-Absorber zum Platin-Katalysator

Professor Christoph Langhammers Forschungsgruppe entwickelt bereits seit Jahren plasmonische Wasserstoffsensoren und erzielte mehrere Durchbrüche bezüglich Geschwindigkeit, Sensitivität und KI-optimierter Response. Bisher setzte das Team auf Palladium-Nanopartikel, die Wasserstoff wie ein Schwamm absorbieren.

Das neue Platin-Konzept, entwickelt im Rahmen des TechForH2-Kompetenzzentrums, führt zu einem völlig neuen Sensortyp: dem „katalytischen plasmonischen Wasserstoffsensor“. Langhammer ist auch Mitgründer des Sensor-Unternehmens Insplorion und arbeitet dort in beratender Funktion.

Deutsche H₂-Strategie braucht robuste Sensorik

Die Entwicklung trifft den Nerv der deutschen Wasserstoffstrategie. Aktuelle BMWE/BMWK-geförderte Projekte wie H₂-Control (Echtzeit-Qualitätskontrolle für Tankstellen), HySABi (miniaturisierte Fahrzeugsensoren) und EISBaEr (Anlagenüberwachung) adressieren ähnliche Herausforderungen.

„Es gibt derzeit starke Nachfrage nach Sensoren, die in feuchter Umgebung gut funktionieren“, betont Langhammer. „Da Wasserstoff eine immer wichtigere gesellschaftliche Rolle spielt, wachsen die Anforderungen an Sensoren, die nicht nur kleiner und flexibler sind, sondern auch großskalig und kostengünstig herstellbar. Unser Konzept erfüllt diese Anforderungen gut.“

Langhammer sieht die Zukunft der Wasserstoffsensorik in Material-Kombinationen: „Wir erwarten, verschiedene aktive Materialien kombinieren zu müssen, um Sensoren zu schaffen, die unabhängig von der Umgebung gut funktionieren. Wir wissen jetzt: Bestimmte Materialien bieten Geschwindigkeit und Sensitivität, andere widerstehen besser der Feuchtigkeit.“ (heh)

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