研究人员开发出一种高灵敏度准确检测氢气的新方法

Josiah02

氢气是一种很有前途的能源，具有多种优势——与化石燃料相比，它重量轻、易于储存、能量密度高、环境友好，不会产生污染物或温室气体排放。因此，它在交通、建筑、发电和工业等不同领域有着广泛的应用。
然而，氢气极易燃烧，因此氢气的安全和广泛使用需要可靠的方法来检测泄漏并确保其纯度。对可靠检测方法的需求促使开发痕量气体传感技术。虽然已经开发了几种用于氢气传感的方法，但没有一种方法能提供最佳性能。
一种很有前景的方法是可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术，该技术因用于检测各种气体而备受关注。TDLAS 具有几个关键优势，包括非接触式测量、原位检测、高选择性、快速响应、低成本以及多组分、多参数测量能力。
它的工作原理是气体吸收特定波长的光，导致吸收光谱中出现一条暗线，称为吸收线。
通过测量在此波长下激光的吸收量，可以确定气体的浓度。但是，使用 TDLAS 检测低浓度氢气很困难，因为与其他气体相比，氢气在红外区域的吸收较弱。
为了解决这一问题，由日本千叶大学工程研究生院副教授椎名达男领导的研究小组开发了一种使用 TDLAS 精确测量氢气的创新方法。
该团队成员包括千叶大学工程研究生院的 Alifu Xiafukaiti 和 Nofel Lagrosas、四国综合研究所的 Ippei Asahi 以及东海大学理学院的 Shigeru Yamaguchi。
他们的研究成果发表在《光学与激光技术》杂志上。
“在这项研究中，我们通过对 TDLAS 装置中的压力和调制参数进行精细控制，实现了对氢气的高灵敏度检测。此外，我们还引入了一种无需校准的技术，确保了对各种浓度的适应性，”Shiina 教授解释道。
在 TDLAS 中，激光穿过一个加压气体室，称为 Herriott 多通道室 (HMPC)，其中包含目标气体。激光的波长以特定频率围绕气体的目标吸收线进行调制或振荡，以消除任何环境噪声。HMPC 中的压力可以显著影响吸收线宽度，从而影响 TDLAS 下的调制参数。
研究人员仔细分析了不同压力下氢气最强吸收线的宽度，通过模拟，确定了产生更宽吸收线宽度的最佳压力，以及在这个线宽范围内最有效的调制参数。
他们的免校准技术涉及使用调制吸收信号的第一谐波通过其比率来标准化第二谐波，而不是像传统 TDLAS 系统那样仅仅依赖第二谐波信号。此外，他们使用含有纯氢的高压气室作为参考来微调激光信号的调制参数。
通过这种创新方法，研究人员实现了从 0.01% 到 100% 的广泛检测范围内氢浓度的精确测量，其中 0.01% 相当于 100 百万分率 (ppm)。此外，随着积分时间（允许光被吸收的时间段）的延长，结果也得到了改善。
在 0.1 秒积分时间内，最低检测限为 0.3% 或 30,000 ppm，在 30 秒积分时间内，最低检测限提高到 0.0055% 或 55 ppm。但是，超过 30 秒，最低检测限就会增加。
“我们的系统可以显著改善氢气检测系统的安全性和质量控制，促进氢燃料的广泛应用。例如，该系统可以可靠地用于检测氢燃料电池汽车的泄漏，”Shiina 教授在谈到这项研究的潜在应用时评论道。