3ppm超敏！世界首创超声氢传感器 彻底杜绝泄漏隐患

韩国延世大学新材料工程系李祐荣教授研究团队世界首次提出 “超声波诱导裂纹” 工艺，在钯（Pd）薄膜内形成均匀的纳米间隙，并将其与电容器（Capacitor）结构相结合，研发出具备世界最高水平检测极限（3ppm）、卓越稳定性和工艺简便性的常温氢传感器。

氢气是可替代化石燃料的下一代环保能源，也是电动汽车等二次电池热失控过程中排放的可燃性气体。然而，氢气泄漏时爆炸风险极高，现有的氢传感器由于灵敏度低、性能不稳定、工艺复杂等原因，在工业现场的实际应用受到限制。

特别是现有的钯纳米间隙基电阻式传感器，存在间隙控制和重复性差的问题，且依赖橡胶基板和复杂的机械拉伸工艺。

研究团队提出了一种新方法，对 Pd/PDMS/Doped - Si 结构进行超声波处理，在钯薄膜表面诱导出均匀的种子裂纹。

之后，当氢气被吸附时，钯晶体晶格会膨胀，使纳米间隙闭合，通过电容变化来实时检测氢气。这种方法相比现有工艺更简单，重现性更高，且能将间隙宽度均匀地保持在 20nm 以下。

此次研发的传感器在常温下就能检测出 3ppm 的超低浓度氢气，在 300ppm 的条件下进行 50 次重复测量，信号稳定性依然保持，证明了其较高的耐久性。此外，凭借钯出色的氢气选择性，该传感器在高湿度、较宽温度范围（0 - 80℃）下也能稳定工作，在实际的氢气储存设施、燃料电池、二次电池热失控监测等多个领域都有很大的应用可能性。

a) 电容式纳米间隙传感器的结构示意图和钯纳米间隙形成过程。

b) 钯纳米间隙传感器的工作原理示意图。10nm 厚的钯薄膜沉积在 PDMS 上用于氢气检测，50nm 厚的银薄膜部分重叠在钯层上，以定义传感器的基准信号（C₀）。

c) 不同氢气浓度下电容变化机制的示意图及其对应的实时光学显微镜（OM）图像。当没有氢气时，由于钯纳米间隙，银层（白色）与钯薄膜（黄色）电分离，测量基准电容（C₀）（左图）。随着氢气浓度的增加，微小的钯裂纹接触，与银电极电连接的面积（红色边框）增加（中图）。在高氢气浓度下，薄膜全域的纳米间隙完全接触，电容大幅增加（右图）。

延世大学李祐荣教授表示：“这项研究的重大意义在于，克服了复杂的纳米间隙形成和电阻式传感器的稳定性限制，通过简单工艺同时实现了超高灵敏度、高可靠性和低功耗运行。仅通过超声波处理时间，就可以定制调节间隙大小和灵敏度，有望在氢能基础设施和电池安全监测等多个工业领域得到推广。”

该研究成果在海外专利发明评估中获得 S 等级，正在向美国和德国申请专利，其卓越性和实用性得到认可，被选为科学技术信息通信部主管的 “深度科学创业激活支援项目”。主导整个研究并首次提出该技术的第一作者李尚吉硕士研究生即将进入麻省理工学院材料工程系攻读博士学位。

另外，这项研究是在韩国研究财团、产业通商资源部、行政安全部、科学技术产业化振兴院的支持下进行的，

研究成果于 7 月 1 日在线发表在材料工程领域的权威学术期刊《Advanced Functional Materials》上，

论文题目为《Sonication‑Assisted Palladium Nanogaps in a Capacitive Structure: A Tunable and Reliable Solution for Sensitive Hydrogen Monitoring》。

论文地址：doi.org/10.1002/adfm.202506017