基于Pt/WO3功能化U型微光纤干涉仪的高灵敏度氢气传感器研究

为解决氢气泄漏检测的高灵敏度需求，研究人员开发了一种基于U型单模-锥形四芯-单模（STFS）微光纤干涉仪的氢气传感器，通过(3-氨丙基)三乙氧基硅烷（APTES）固定Pt/WO3敏感材料，实现了-17.706 nm/%的高灵敏度和0.996的线性回归系数，同时具备低温度（0.0114 nm/℃）和湿度（0.006 nm/%RH）交叉敏感性，为氢能安全监测提供了创新解决方案。

　　

随着化石能源过度使用引发的能源短缺与环境问题日益严峻，氢能因其清洁、可持续和零碳排放特性成为全球关注焦点。然而，氢气无色无味且易燃易爆的特性使其泄漏监测面临巨大挑战。传统检测方法如电化学、电阻式和催化传感器存在成本高、灵敏度不足或易受干扰等问题。光纤传感器凭借结构简单、抗电磁干扰和高灵敏度等优势成为研究热点，但现有Pd基材料成本高昂，WO₃复合材料的稳定性与灵敏度仍需提升。

针对这一难题，河北大学的研究团队设计了一种基于U型单模-锥形四芯-单模（STFS）微光纤干涉仪的高性能氢气传感器。该传感器通过锥形四芯光纤（FCF）的超模干涉效应增强灵敏度，并采用APTES将Pt/WO₃牢固固定在U型结构表面。实验表明，该传感器在0-1%氢气浓度范围内灵敏度达-17.706 nm/%（线性度R²=0.996），且温度与湿度交叉敏感性分别低至0.0114 nm/℃和0.006 nm/%RH，长期稳定性超过13天。相关成果发表于《Optics》。

研究采用三项关键技术：1）通过熔接-拉锥工艺制备STFS微光纤，利用U型弯曲增强折射率（RI）敏感性；2）采用APTES化学修饰法固定Pt/WO₃纳米材料；3）搭建气室测试系统，结合光谱分析仪实时监测氢气响应。

研究结果

1. 传感器结构与理论：锥形FCF通过超模干涉产生周期性光谱，U型结构使倏逝场更易受表面RI变化影响。理论计算显示，锥区直径20 μm时灵敏度最优。
2. 氢气浓度检测：3 mg/mL Pt/WO₃涂覆传感器在30分钟内波长漂移仅0.013 nm，响应时间约100秒，灵敏度较同类研究提升20%。
3. 环境稳定性：温度实验显示0-80℃范围内波长漂移0.91 nm，湿度实验在20-80%RH区间影响可忽略，证实其抗干扰能力。

结论与意义
该研究通过创新性结构设计与材料功能化方法，实现了氢气检测灵敏度与稳定性的双重突破。U型STFS微光纤传感器不仅为氢能基础设施安全监测提供了可靠工具，其低交叉敏感性设计思路还可拓展至其他气体传感领域。作者指出，未来可通过优化Pt/WO₃纳米结构进一步提升响应速度，推动该技术走向实际应用。