基于超粒子的“气致变色”传感器

据麦姆斯咨询报道，近期，来自德国埃尔朗根—纽伦堡大学（Erlangen-Nürnberg，缩写：FAU）的Karl Mandel教授研究团队开发了一款新型氢传感器，可通过简单的颜色变化来判断是否存在具有潜在危险的氢气。该微米级传感器装置使用了所谓的超粒子（supraparticles），当氢气存在时会从紫色变为粉红色，利用其可以更容易地检测和定位燃气站、发电机和管道的氢泄漏，有助于防止氢气爆炸。

氢气作为一种可再生环保燃料，在能源转型过程中发挥着重要的作用。然而，它在空气中极其易燃易爆，并且其无色无味，难以被发现。目前，用于检测氢气的方式有很多，例如，光学式氢传感器往往通过纳米天线、光源、光纤和电子控制设备将光信号转换成可读响应，但是结构复杂。而“气致变色”氢传感器通常基于特定基材的薄膜制成，具有易导致脆弱的多层结构。

用于氢指示的超粒子（supraparticles）

独特的双色变化

Karl Mandel教授团队提出了一种创新的设计策略，制备出一款可替代传统检测方式的氢传感器，该传感器的氢指示剂包含三种成分：二氧化硅纳米粒子、金钯（Au-Pd）纳米粒子和指示染料刃天青（resazurin）。研究人员将该三种成分混合在水分散液中，雾化形成小液滴，随后将其引入加热室，进行喷雾干燥。Karl Mandel教授团队的研究人员Jakob Reichstein解释道，当溶剂蒸发时，纳米粒子和刃天青分子被迫结合在一起，形成了一种介孔超分子框架的结构，这种结构可以让氢气等气体进入。

氢指示超粒子的设计、制备和形态表征

当该结构中的粒子从大气中吸收水分时，它们就形成了一个三相系统，使得刃天青分子可以自由传播。Jakob Reichstein称，实际上，水充当了运输介质，将刃天青染料分子引向催化活性金钯纳米粒子。在氢气存在时，刃天青被还原（即它吸收了一个氢原子），形成一种叫试卤灵（resorufin）的化学物质。如果氢仍存在（持续发生泄漏时），则会继续产生还原反应，将卤灵转化为氢化试卤灵（hydroresorufin）。

“在氢诱导刃天青还原的过程中，会伴随着超粒子颜色的明显变化。第一步是不可逆地从紫色变为粉红色，然后可逆地变为无色状态。”Jakob Reichstein继续解释道，“这些变化是肉眼可见的。”

超粒子变色过程示意图

构造简单，易于应用

该研究团队制备的氢指示超粒子有多种潜在应用。该颗粒直径在1-10µm之间，小到可以作为添加剂或颜料掺入各种材料中，包括管道涂层和安全服。利用该氢指示超粒子，可以更容易地检测氢气以及精确定位泄漏点。

该项研究成果已发表于Advanced Functional Materials期刊，研究人员计划进一步优化该超粒子，以使其能够“充分发挥潜力，在现实生活中得以应用，从而为更安全的氢经济做出贡献”。Jakob Reichstein总结道：“目前，我们正在研究和提高超粒子的灵敏度，以及它们的长期稳定性，同时，我们还在测试涂料中超粒子的气致变色功能。”

审核编辑 ：李倩