Wetenschappers maken met het blote oog afleesbare waterstofsensor

Volgens veel wetenschappers is de beoogde ‘waterstofeconomie’, waarin waterstof de belangrijkste drager van duurzaam opgewekte energie moet gaan worden, onvermijdelijk. Maar aan het gebruik van waterstof zijn risico’s verbonden, omdat het brandbaar en moeilijk te detecteren is. Betrouwbare sensoren die de aanwezigheid van waterstof aantonen zijn daarom essentieel. Wetenschappers van de Universiteit Utrecht, de TU Delft en de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble hebben nu een sensor ontwikkeld die van kleur verandert bij blootstelling aan waterstof.

Het onderzoek waarover de wetenschappers in Nature Communications schrijven, is gericht op een combinatie van de chemische elementen yttrium en zirkoon, twee zogeheten ‘overgangsmetalen’. Het grote voordeel van die samenstelling is dat het materiaal van kleur verandert op het moment dat de hoeveelheid opgenomen waterstof stijgt. Hiermee heeft het onderzoek naar de overgangsmetalen een waterstofsensor opgeleverd die met het blote oog af te lezen is.

De sensor kan de vorm aannemen van een strip die eenvoudig te bevestigen is op plekken waar de waterstofdruk gemeten moet worden. Lekkages kunnen op die manier eenvoudig worden gedetecteerd, en ook kan met zo’n strip gemeten worden of de waterstofdruk in een installatie nog hoog genoeg is.

Verstrooiing

Het achterliggende principe van de nieuwe sensor is de atomen in het metaalrooster ruimte moeten maken voor de opname van waterstof, aldus de Utrechtse scheikundige Peter Ngene, eerste auteur van de publicatie. Dat kost een bepaalde hoeveelheid energie. Hoe groter de benodigde hoeveelheid energie, des te hoger de druk van het waterstof moet zijn om dit proces plaats te laten vinden. De veranderende kleur is een gevolg van het feit dat de hoeveelheid opgenomen waterstof in het materiaal bepaalt in welke mate licht wordt verstrooid.

De wetenschappers tonen met dit onderzoek aan dat de druk waarbij waterstof wordt opgeslagen en afgegeven in een rooster van Yttrium en Zirkonium nauwkeurig in te stellen is door een bepaalde verhouding tussen de beide materialen te kiezen. Met het aanpassen van de verhouding tussen de metalen verandert ook de benodigde energie. Hoe gevoelig de sensor is, is dus in te stellen door een bepaalde verhouding tussen yttrium en zirkoon te kiezen. Op die manier kan een druk van tussen de 0,1 mbar en 10.000 mbar gemeten worden.

Waterstofauto’s

Het onderzoek zou ook gevolgen kunnen hebben voor de opslag van waterstof voor gebruik in voertuigen. ‘Nu wordt waterstof opgeslagen in zware 700-bar-cilinders’, zegt prof. dr. Bernard Dam van de TU Delft, die ook meewerkte aan het onderzoek. ‘Idealiter zou je waterstof opslaan in een licht metaal, zoals magnesium. Alleen is de evenwichtsdruk van magnesium veel te laag, waardoor er bij het gebruik van magnesium niet genoeg flow van waterstof is om een brandstofcel aan te drijven.’

De wetenschappers denken dat het wellicht mogelijk is om een overgangsmetaal aan magnesium toe te voegen, en zo de evenwichtsdruk te verhogen tot minstens één bar. Dat zou magnesium tot een geschikt opslagmetaal, en een lichter alternatief voor de cilinders die nu worden gebruikt, maken. Verder onderzoek moet uitwijzen of dit idee uitvoerbaar is.