面向复杂环境的等离子体光纤氢传感器：选择性检测与抗干扰性能研究

《ACS Sensors》：Simple Optical Fiber Sensor for Express and Cross-Sensitive Hydrogen Detection

本文报道了一种基于等离子体活性多模光纤的氢传感器，通过在光纤表面依次沉积钯（Pd）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）层，实现了对氢气的高选择性、快速响应检测。该传感器利用Pd氢化引起的等离子体吸收带位移进行光学检测，PDMS层则有效排除了NO2、CO、H2S等干扰气体及湿度影响，在室温至80°C范围内保持稳定，适用于实际复杂环境下的氢泄漏监测。

　　

研究背景与意义

氢气作为一种清洁能源载体，在替代化石燃料方面具有重要应用前景。然而氢气具有高度易燃易爆特性，其无色无味的性质使得泄漏检测尤为困难。传统电化学传感器易受电磁干扰且存在电火花引爆风险，而光纤传感器凭借其本质安全、抗电磁干扰、体积小等优势成为理想解决方案。

传感器设计与制备

研究团队采用塑料包层石英光纤，通过热去除法制备裸露纤芯，随后通过真空溅射依次沉积金（Au）和钯（Pd）层。其中Au层用于激发表面等离子体共振效应，Pd层作为氢敏感材料。关键创新在于增加了PDMS保护层，其折射率（≈1.4）与等离子体激发条件匹配，同时可选择性透过氢分子而阻挡较大分子量的干扰气体。优化后的各层厚度分别为Au约20nm，Pd约5nm，PDMS约170nm。

传感机理与性能表征

传感器工作原理基于Pd氢化反应：氢分子在Pd表面解离后形成钯氢化物，引起材料折射率变化和体积膨胀，导致等离子体吸收带发生红移。实验显示，在0-40%体积浓度范围内，吸收带位移与氢浓度呈线性关系，最高位移达30nm（40% H₂）。传感器响应时间约5秒，达到最大响应需30秒，再生时间45秒。通过200次循环测试和30天稳定性实验，传感器表现出优异的重现性和长期稳定性。

抗干扰性能研究

在交叉敏感性实验中，传感器对NO₂、CH₄、CO₂、CO和NH₃等气体均无响应，仅在高压氧气环境下出现轻微灵敏度下降。PDMS层的疏水特性使传感器在湿度0-100%范围内保持稳定，克服了传统Pd传感器受水汽干扰的难题。特别值得注意的是，传感器对H₂S和CH₃SH等硫化物具有强抗中毒能力，这对天然气输送场景的应用具有重要意义。

实际应用潜力

与现有技术相比，该传感器在选择性方面显著优于多数报道的氢传感器，其简单的制备工艺（溅射+旋涂）和可靠的性能使其适用于生物反应器、电化学电池、输气管道等复杂环境。虽然对ppm级低浓度检测存在局限，但通过优化光学检测系统可进一步拓展检测范围。

结论

本研究成功开发了一种具有等离子体活性的光纤氢传感器，通过Pd/PDMS双层结构设计实现了高选择性、快速响应的氢检测能力。传感器在抗干扰性、环境适应性和长期可靠性方面的优势，为氢能安全监测提供了有效的技术解决方案。