CZ308875B6 - Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection - Google Patents

Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection Download PDF

Info

Publication number
CZ308875B6
CZ308875B6 CZ2019259A CZ2019259A CZ308875B6 CZ 308875 B6 CZ308875 B6 CZ 308875B6 CZ 2019259 A CZ2019259 A CZ 2019259A CZ 2019259 A CZ2019259 A CZ 2019259A CZ 308875 B6 CZ308875 B6 CZ 308875B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
hydrogen
plasmon
sensor
active
hydrogen sensor
Prior art date
Application number
CZ2019259A
Other languages
Czech (cs)
Other versions
CZ2019259A3 (en
Inventor
Václav Švorčík
DrSc. Švorčík Václav prof. Ing.
Elen Miliutina
Elen Mgr Miliutina
Oleksiy Lyutakov
Lyutakov Oleksiy Mgr., Ph.D.
Olga Guselníkova
Olga Mgr Guselníkova
Zdeňka Kolská
Kolská Zdeňka doc. Ing., Ph.D.
Aleš Hamáček
Hamáček Aleš doc. Ing., Ph.D.
Robert Vik
Vik Robert Ing., Ph.D.
Robert Lovecký
Robert Ing. Lovecký
Original Assignee
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Univerzita J.E. Purkyně v Ústí nad Labem
Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Univerzita J.E. Purkyně v Ústí nad Labem, Západočeská Univerzita V Plzni filed Critical Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority to CZ2019259A priority Critical patent/CZ308875B6/en
Publication of CZ2019259A3 publication Critical patent/CZ2019259A3/en
Publication of CZ308875B6 publication Critical patent/CZ308875B6/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The technical solution relates to an optical sensor element for detecting hydrogen. The basis of the sensor is a plasmon-active surface of an optical fibre with a deposited layer of a highly porous metallic-organic substance with a high affinity for hydrogen. Such a hydrogen sensor based on plasmon-active fibers consists of a multimode fibre on which a layer of plasmon-active metal is applied, which is modified with a diazonium salt of 4-amino-1,2-dithiolane-4-carboxylic acid and metallic organic 3-dimensional framework structures containing zinc and an organic ligand with unsaturated oxygen, sulfur or nitrogen centres. Gold, silver or copper 10 to 50 nm thick are used as the plasmon active metal.

Description

Senzor vodíku na bázi plazmon-aktivních vláken fukcionalizovaných porézní kovově organickou vrstvou pro „dálkovou“ neelektrickou detekciHydrogen sensor based on plasmon-active fibers functionalized with a porous metallic organic layer for "remote" non-electrical detection

Oblast technikyField of technology

Vynález se týká optického prvku pro dálkovou detekci vodíku bez využití elektronických součástek a aktivní detekční oblastí. Je navržen detekční prvek na bázi plazmon-aktivních optických vláken s unikátní deponovanou vrstvou kovově-organických sítí s velkou afinitou k vodíku. Prvek je připraven pomocí tenké vrstvy plazmon-aktivního kovu, nanesené na jádro optického vlákna a následně fiikcionalizo váného porézní kovově-organickou vrstvou. Struktura tohoto prvku zaručuje plazmonovou absorpci na vzduchu, vysokou selektivitu a afinitu vůči vodíku. Výsledky měření ukazují změny indexu lomu porézní vrstvy v důsledku sorpce vodíku a spektrální posun plazmonové absorpce. Navržený prvek prokazuje vysokou rychlost odezvy a regenerace, vynikající selektivitu vůči vodíku, velmi nízkou teplotní závislost, funkčnost při pokojové nebo snížené teplotě. Detekci vodíku neovlivňuje vlhkost prostředí. Navržený vodíkový senzor navíc vykazuje velmi dobrou reverzibilitu, reprodukovatelnost a dlouhodobou stabilitu. Předpokládaná aplikace prvku je dálková detekce přítomnosti/úniku vodíku v technologických prostředích, kde nelze použít běžné elektrické senzory.The invention relates to an optical element for remote detection of hydrogen without the use of electronic components and to an active detection area. A detection element based on plasmon-active optical fibers with a unique deposited layer of metallic-organic networks with high affinity for hydrogen is proposed. The element is prepared by means of a thin layer of plasmon-active metal, applied to the core of the optical fiber and subsequently functionalized with a porous metal-organic layer. The structure of this element guarantees plasmon absorption in air, high selectivity and affinity for hydrogen. The measurement results show changes in the refractive index of the porous layer due to hydrogen sorption and the spectral shift of plasmonic absorption. The proposed element demonstrates a high rate of response and regeneration, excellent selectivity to hydrogen, very low temperature dependence, functionality at room or reduced temperature. Hydrogen detection is not affected by ambient humidity. In addition, the designed hydrogen sensor shows very good reversibility, reproducibility and long-term stability. The intended application of the element is remote detection of the presence / leakage of hydrogen in technological environments where conventional electrical sensors cannot be used.

Dosavadní stav technikyPrior art

Využití vodíku, jako čistého a udržitelného zdroje energie, v poslední době exponenciálně narůstá na celém světě [1]. Klíčovým problémem je, že vodík je bezbarvý plyn bez zápachu, extrémně hořlavý a výbušný (dolní mez výbušnosti vodíku je 4 % obj. ve vzduchu). Proto je pro snížení nebezpečí výbuchu způsobeného únikem vodíku při jeho výrobě, skladování, přepravě a použití nezbytný vývoj spolehlivých senzorových prvků pro zjištění stopových množství vodíku. Moderní vodíkové senzory musí splňovat následující požadavky: musí vykazovat velmi rychlou odezvu, vysokou citlivost, selektivitu vůči vodíku a také nízké detekční limity [2]. V posledních desetiletích byly vyvinuty různé typy senzorů vodíku včetně polovodičových [3], termoelektrických [4], optických [5] nebo povrchově-akustických [6], Právě optické senzory poskytují řadu výhod, v porovnání s jinými, a to především jednoduchost, nízké náklady a efektivitu výroby a provozu, vysokou citlivost, elektrické izolační prostředí, možnost dálkového snímání a malý rozměr zařízení. Předností je i možnost jednoduché integrace s jinými zařízeními [7], V současné době bylo navrženo několik struktur vodíkových senzorů na bázi optických vláken a jejich různých uspořádání, jako např. Fabry-Perotův interferometr [8] a Braggovy mřížky [9], Tyto senzory vykazují velký rozsah detekce, obvykle však nízkou citlivost. Alternativní přístup spočívá ve využití senzorů na bázi plazmonem aktivních vláken, který vede ke zvýšení citlivosti vůči vodíku [10]·The use of hydrogen as a clean and sustainable energy source has recently increased exponentially worldwide [1]. The key problem is that hydrogen is an odorless, extremely flammable and explosive gas (the lower explosive limit of hydrogen is 4% by volume in air). Therefore, the development of reliable sensor elements for detecting trace amounts of hydrogen is necessary to reduce the risk of explosion caused by hydrogen leakage during its production, storage, transport and use. Modern hydrogen sensors must meet the following requirements: they must have a very fast response, high sensitivity, selectivity to hydrogen and also low detection limits [2]. Various types of hydrogen sensors have been developed in recent decades, including semiconductor [3], thermoelectric [4], optical [5] or surface-acoustic [6]. It is optical sensors that offer a number of advantages over others, especially simplicity, low cost and efficiency of production and operation, high sensitivity, electrical insulation environment, the possibility of remote sensing and a small size of the device. The advantage is the possibility of easy integration with other devices [7]. Currently, several structures of hydrogen sensors based on optical fibers and their various configurations, such as Fabry-Perot interferometer [8] and Bragg gratings [9], These sensors they show a large detection range, but usually low sensitivity. An alternative approach is to use plasmon-based active fiber sensors, which leads to increased sensitivity to hydrogen [10] ·

V současných senzorech na bázi plazmon-aktivních vláken se používá dodatečná depozice vrstvy na plazmon aktivní povrch, která mění index lomu v přítomnosti vodíku, což vede ke zjevnému posunu absorpčního pásu plazmonu [28], Běžně jsou používány citlivé kovové vrstvy na bázi paladia nebo platiny, které obvykle poskytují rychlou odezvu, ale jejich použití je ekonomicky nákladné [11]. Alternativní řešení spočívá ve využití oxidů přechodných kovů, jako je např. TiCE, NiOx a WO3. V tomto případě zůstává velkou otázkou jejich selektivita vůči vodíku, zejména v přítomnosti vlhkosti, oxidačního plynu a kolísání teploty [12], Navíc v oblasti detekce vodíku na bázi optických vláken existuje cela řada dalších problémů, jako je nelineární výstup odezvy senzoru, nízká rychlost odezvy, vysoké teplotní rušení, velký vliv vlhkosti [12], V našem návrhu jsou tyto zmíněné problémy do velké míry vyřešeny díky použití pokročilého designu senzitivní vrstvy na bázi porézní kovově-organické vrstvy.Current plasmon-active fiber sensors use additional deposition of the layer on the plasmon active surface, which changes the refractive index in the presence of hydrogen, leading to an apparent shift of the plasmon absorption band [28]. Sensitive palladium or platinum-based metal layers are commonly used. , which usually provide a quick response, but are economically expensive to use [11]. An alternative solution is to use transition metal oxides such as TiCE, NiOx and WO3. In this case, their selectivity to hydrogen remains a major issue, especially in the presence of moisture, oxidizing gas and temperature fluctuations [12]. , high temperature interference, high influence of humidity [12], In our design, these mentioned problems are largely solved thanks to the use of advanced sensitive layer design based on porous metallic-organic layer.

Reference (1) Wang, Z.; Li, Z.; Jiang, I'.; Xu. X.; Wang, C. Ultrasensitive 1 lydrogen Sensor Based on PdOReferences (1) Wang, Z .; Li, Z .; Jiang, I '.; Xu. X .; Wang, C. Ultrasensitive 1 lydrogen Sensor Based on PdO

- 1 CZ 308875 B6- 1 CZ 308875 B6

Loaded SnO2 Electrospun Nanofibers at Room Temperature. AC'SAppl. Mater. Interfaces 2013. 5 (2) Tsai. J.-H.; Niu, J.-S. Hydrogen Sensing Characteristics of AlGalnP/InGaAs Enhancement/Depletion-Mode Co-Integrated Doping-Channel Field-Effect Transistors. International Journal of Hydrogen Energy 2019. 44 (3). 2053-2058.Loaded SnO2 Electrospun Nanofibers at Room Temperature. AC'SAppl. Mater. Interfaces 2013. 5 (2) Tsai. J.-H .; Niu, J.-S. Hydrogen Sensing Characteristics of AlGalnP / InGaAs Enhancement / Depletion-Mode Co-Integrated Doping-Channel Field-Effect Transistors. International Journal of Hydrogen Energy 2019. 44 (3). 2053-2058.

(3) Fahad, Η. M.; Gupta, N.; Han. R.; Desai, S. B.; Javey, A. Highly Sensitive Bulk Silicon Chemical Sensors with Sub-5 Nm Thin Charge Inversion Layers. ACS Nano 2018, 12 (3), 2048 2054.(3) Fahad, Η. M .; Gupta, N .; Han. R .; Desai, S. B .; Javey, A. Highly Sensitive Bulk Silicon Chemical Sensors with Sub-5 Nm Thin Charge Inversion Layers. ACS Nano 2018, 12 (3), 2048 2054.

(4) Kim, S.; Song, Y.; Lim, IL-R.; Kwon, Y.-T.; Hwang, T.-Y.; Song, E.; Lee, S.; Lee, Y.-L; Cho, H.-B.; Choa. Y.-H. Fabrication and Characterization of Thermochemical Hydrogen Sensor with Laminated Structure. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42 (1), 740-756.(4) Kim, S .; Song, Y .; Lim, IL-R .; Kwon, Y.-T .; Hwang, T.-Y .; Song, E .; Lee, S .; Lee, Y.-L; Cho, H.-B .; Choa. Y.-H. Fabrication and Characterization of Thermochemical Hydrogen Sensor with Laminated Structure. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42 (1), 740-756.

(5) Wu, B.; Zhao, C\; Xu, B.; Li. Y. Optical Fiber Hydrogen Sensor with Single Sagnac Interferometer Loop Basedon Vernier Effect. Sensors and Actuators B: Chemical 2018,255, 30113016.(5) Wu, B .; Zhao, C \; Xu, B .; If. Y. Optical Fiber Hydrogen Sensor with Single Sagnac Interferometer Loop Basedon Vernier Effect. Sensors and Actuators B: Chemical 2018, 255, 30113016.

(6) Perez-Cortes, L.; Hernandez-Rodriguez, C.; Mazingue, T.; Lomello-Tafm, M. Functionality of (7) Li. Z.; Yan. S.; Wu. Z.; Li, H.; Wang, J.; Shen, W.; Wang. Z.; Fu, Y. Hydrogen Cias Sensor Based on Mesoporous ImCL with Fast Response/Recovery and Ppb Level Detection Limit. International Journal qfHydrogen Energy 2018, 43 (50), 22746-22755.(6) Perez-Cortes, L .; Hernandez-Rodriguez, C .; Mazingue, T .; Lomello-Tafm, M. Functionality of (7) Li. OF.; Yan. WITH.; Wu. OF.; Li, H .; Wang, J .; Shen, W .; Wang. OF.; Fu, Y. Hydrogen Cias Sensor Based on Mesoporous ImCL with Fast Response / Recovery and Ppb Level Detection Limit. International Journal qfHydrogen Energy 2018, 43 (50), 22746-22755.

(8) Samsudin, M. R.; Shcc, Y. G.; Adikan, F. R. M.; Razak, B. B. A.; Dahari, M. Liber Bragg Gratings Hydrogen Sensor for Monitoring the Degradation of Transformer Oil. IEEE Sensors Journal 2016,16 (9), 2993-2999.(8) Samsudin, M. R .; Shcc, Y. G .; Adikan, F. R. M .; Razak, B. B. A .; Dahari, M. Liber Bragg Gratings Hydrogen Sensor for Monitoring the Degradation of Transformer Oil. IEEE Sensors Journal 2016,16 (9), 2993-2999.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Podstata vynálezu spočívá v designu a optimalizaci inovativní struktury vodíkového senzoru s plazmon-aktivní vrstvou, funkcionalizo vanou kovově-organickou porézní vrstvou. Plazmonové odezvy je dosaženo nanesením tenké vrstvy ušlechtilého kovu na jádro optického vlákna. Posun plazmonové rezonance umožňuje sledovat změny v blízkém prostředí optického vlákna (tj. změny indexu lomu). V dalším kroku bylo dosaženo selektivní citlivosti vůči vodíku prostřednictvím povrchově stimulovaného růstu kovově-organické vrstvy s vysokou afinitou k vodíku. Typ kovově-organické vrstvy byl vybrán z následujících důvodů: vysoký specifický povrch, vysoká kapacita vůči adsorpci vodíku (velký objem pórů), vysoká selektivita vůči vodíku, relativně levné kovy/sloučeniny pro přípravu. Tloušťka kovově-organické vrstvy byla optimalizována pro dosažení prokazatelné plazmonové rezonance na vzduchu.The essence of the invention lies in the design and optimization of the innovative structure of a hydrogen sensor with a plasmon-active layer, a functionalized metal-organic porous layer. The plasmon response is achieved by depositing a thin layer of noble metal on the core of the optical fiber. The shift of plasmon resonance makes it possible to monitor changes in the near environment of the optical fiber (ie changes in the refractive index). In the next step, selective sensitivity to hydrogen was achieved through surface-stimulated growth of the metal-organic layer with high affinity for hydrogen. The type of metal-organic layer was chosen for the following reasons: high specific surface area, high capacity for hydrogen adsorption (large pore volume), high selectivity for hydrogen, relatively cheap metals / compounds for preparation. The thickness of the metal-organic layer was optimized to achieve demonstrable plasmon resonance in air.

Vzhledem k tomu že vybrané vrstvy mají vysoce aktivní povrch, který je výhodný pro zachycení vodíku, v přítomnosti vodíku dochází k výrazným změnám jejich indexu lomu. Tyto změny vedou k výraznému posunu plazmonové absorpce a tím umožňují detekci vodíku měřením transmisních spekter optického vlákna. Navíc výsledky charakterizace tohoto nově připraveného prvku ukazují, že v přítomnosti vodíku se plazmonová absorpce řádově zvyšuje, což umožňuje detekci pomocí Jedné“ vlnové délky. Vzhledem k tomu, že optické změny jsou závislé na koncentraci vodíku, je rovněž možné přesné stanovení jeho koncentrace. Pozorované změny na koncentraci vodíku mají lineární závislost, což řeší jeden z výrazných a klíčových problémů - nelineární odezvu v doposud navržených optických vodíkových senzorech. Minimální detekovatelná koncentrace byla zjištěna 1,5 % obj. vodíku ve vzduchu. Při koncentraci vodíku větší než 20 % obj. docházelo k saturaci senzorové odezvy. Pozorovaná hodnota posunu plazmonového píku dosáhla 77 nm, což výrazně převyšuje „vědecké nebo komerční“ využití analogické struktury. Navíc, výsledky testování některých „dostupných” senzorových prvků ukázaly jejich nízkou citlivost vůči přítomnosti vlhkosti, oxidačních plynu a teplotní závislosti.Due to the fact that the selected layers have a highly active surface, which is advantageous for hydrogen trapping, in the presence of hydrogen there are significant changes in their refractive index. These changes lead to a significant shift in plasmonic absorption and thus allow the detection of hydrogen by measuring the transmission spectra of the optical fiber. In addition, the results of the characterization of this newly prepared element show that in the presence of hydrogen, the plasmonic absorption increases by an order of magnitude, which allows detection by a single wavelength. Since the optical changes are dependent on the hydrogen concentration, it is also possible to accurately determine its concentration. The observed changes in hydrogen concentration have a linear dependence, which solves one of the significant and key problems - the nonlinear response in the proposed optical hydrogen sensors. The minimum detectable concentration was found to be 1.5% by volume of hydrogen in the air. At a hydrogen concentration greater than 20% by volume, the sensor response was saturated. The observed value of the plasmon peak shift reached 77 nm, which significantly exceeds the "scientific or commercial" use of an analogous structure. In addition, testing results of some "available" sensor elements showed their low sensitivity to the presence of moisture, oxidizing gases and temperature dependence.

- 2 CZ 308875 B6- 2 CZ 308875 B6

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Obr. 1Giant. 1

Schéma přípravy struktury senzoru na bázi plazmonové rezonance a senzitivní kovově-organické vrstvy.Scheme of preparation of sensor structure based on plasmon resonance and sensitive metal-organic layer.

Obr. 2Giant. 2

Testy funkcionality senzoru: spektrální propustnost jako funkce koncentrace vodíku.Sensor functionality tests: spectral transmittance as a function of hydrogen concentration.

Obr. 3Giant. 3

Reprodukovatelnost použití senzoru, demonstrace sledování rychlosti jeho odezvy a regenerace.Reproducibility of sensor use, demonstration of monitoring the speed of its response and regeneration.

Obr. 4Giant. 4

Stanovení a porovnání „nízké” citlivost senzoru vůči přítomnosti dalšího plynu.Determination and comparison of "low" sensitivity of the sensor to the presence of additional gas.

Obr. 5Giant. 5

Testy vlivu vlhkosti na odezvu vodíkového senzoru.Tests of the effect of humidity on the response of the hydrogen sensor.

Obr. 6Giant. 6

Testy vlivu teploty na odezvu vodíkového senzoru.Tests of the effect of temperature on the response of the hydrogen sensor.

Příklady uskutečnění vynálezuExamples of embodiments of the invention

Příklad 1Example 1

Z komerčně dostupného multimodového vlákna (průměr 800/400 pm - obal/jádro) byl odstraněn obal po délce 1,5 cm. Na jádro optického vlákna byla deponována naprašováním vrstva zlata o tloušťce 50 nm. Na povrch zlata byla roubována diazoniová sůl 4-amino-l,2-dithiolan-4karboxylové kyseliny (ADT-COOH) a následně kovově organická struktura IRMOF-20 o tloušťce 35 nm. Konce vlákna byly napojeny na širokospektrální zdroj světla a spektrální analyzátor přes SMA (SubMiniature version A) konektory. Struktura byla použita jako senzor vodíku s citlivou oblastí 1,5 cm pro vzdálenou detekci.A 1.5 cm long sheath was removed from a commercially available multimode fiber (diameter 800/400 μm - sheath / core). A 50 nm thick layer of gold was deposited on the optical fiber core by sputtering. The diazonium salt of 4-amino-1,2-dithiolane-4-carboxylic acid (ADT-COOH) was grafted onto the gold surface, followed by a 35 nm thick metallic organic structure IRMOF-20. The fiber ends were connected to a broad spectrum light source and spectrum analyzer via SMA (SubMiniature version A) connectors. The structure was used as a hydrogen sensor with a sensitive area of 1.5 cm for remote detection.

Příklad 2Example 2

Z komerčně dostupného multimodového vlákna (průměr 800/400 pm - obal/jádro) byl odstraněn obal po délce 1,2 cm. Na jádro vlákna byla deponována naprašováním vrstva stříbra o tloušťce 40 nm. Na povrch stříbra byla roubována diazoniová sůl ADT-COOH a následně kovově organická struktura zinek plus PCN-12 o tloušťce 25 nm. Konce vlákna byly napojeny na širokospektrální zdroj světla a spektrální analyzátor přes SMA konektory. Struktura byla použita jako senzor vodíku s citlivou oblastí 1,2 cm pro vzdálenou detekci.A 1.2 cm long sheath was removed from a commercially available multimode fiber (diameter 800/400 μm - sheath / core). A 40 nm thick layer of silver was deposited on the fiber core by sputtering. The diazonium salt of ADT-COOH was grafted onto the silver surface, followed by a metallic organic structure of zinc plus PCN-12 25 nm thick. The fiber ends were connected to a broad spectrum light source and a spectrum analyzer via SMA connectors. The structure was used as a hydrogen sensor with a sensitive area of 1.2 cm for remote detection.

Příklad 3Example 3

Z komerčně dostupného multimodového vlákna (průměr 150/5 pm - obal/jádro) byl odstraněn obal po délce 0,7 cm. Na jádro vlákna byla deponována vrstva mědi o tloušťce 10 nm. Na povrch mědi byla roubována diazoniová sůl ADT-COOH a následně kovově organická struktura zinek plusA 0.7 cm long sheath was removed from a commercially available multimode fiber (diameter 150/5 μm - sheath / core). A 10 nm thick layer of copper was deposited on the fiber core. The diazonium salt of ADT-COOH was grafted onto the copper surface, followed by the metallic organic structure of zinc plus

- 3 CZ 308875 B6- 3 CZ 308875 B6

UiO-65 o tloušťce 30 nm. Konce vlákna byly napojeny na LED (emisní vlnová délka 630 nm) a pn detektor světelné intenzity. Struktura byla použita jako senzor vodíku s citlivou oblastí 0,7 cm pro vzdálenou detekci.UiO-65 with a thickness of 30 nm. The ends of the fiber were connected to an LED (emission wavelength 630 nm) and a pn light intensity detector. The structure was used as a hydrogen sensor with a sensitive area of 0.7 cm for remote detection.

Příklad 4Example 4

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující postupně se zvyšující koncentraci vodíku. Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 2 v reálném čase při teplotě místnosti (24 °C). Je zřejmé, že v přítomnosti vodíku se plazmonové absorpční pásmo posouvá a ίο současně se zvyšuje jeho intenzita. Hodnoty odezvy jsou silně závislé na koncentraci vodíku, se zvyšující se koncentrací vodíku dochází k většímu posunu. I při 2 % obj. koncentraci vodíku je plazmonový pás posunut o 9 nm. Při 4 % obj. koncentraci vodíku (což odpovídá „dolní“ mezi výbušnosti) je posun 22 nm, což poskytuje vynikající možnost detekce právě pro tuto kritickou koncentraci. Jak je zřejmé, konstrukce snímače poskytuje vynikající možnost měření koncentrace 15 vodíku v rozmezí 0 až 20 % obj.. Po dosažení 20 % obj. koncentrace vodíku byla pozorována saturace. V případě vyšší koncentrace vodíku může být přítomnost vodíku detekována kvalitativně.The sensor element was placed in an environment containing a gradually increasing concentration of hydrogen. The results of the transmission optical measurements are shown in Figure 2 in real time at room temperature (24 ° C). It is clear that in the presence of hydrogen, the plasmon absorption band shifts and at the same time its intensity increases. The response values are strongly dependent on the hydrogen concentration, with increasing hydrogen concentration there is a greater shift. Even at 2% by volume hydrogen concentration, the plasmon band is shifted by 9 nm. At a 4% v / v hydrogen concentration (corresponding to the "lower" explosive range), the shift is 22 nm, which provides an excellent detection capability for this critical concentration. As can be seen, the design of the sensor provides an excellent opportunity to measure a hydrogen concentration in the range of 0 to 20% by volume. After reaching a 20% by volume hydrogen concentration, saturation was observed. In the case of a higher hydrogen concentration, the presence of hydrogen can be detected qualitatively.

Příklad 5Example 5

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující postupně se zvyšující koncentraci oxidu uhličitého. Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 3 v reálném čase při teplotě místnosti (24 °C). Senzor nevykazoval žádnou odezvu na postupně zvyšující se koncentraci oxidu uhličitého. Lze říct, že senzor vykazuje vysokou citlivost pouze pro přítomnost vodíku a tím je možné detekovat přítomnost vodíku na pozadí jiného technicky-relevantního plynu.The sensor element was placed in an environment containing a gradually increasing concentration of carbon dioxide. The results of the transmission optical measurements are shown in Figure 3 in real time at room temperature (24 ° C). The sensor did not respond to a gradually increasing concentration of carbon dioxide. It can be said that the sensor shows a high sensitivity only for the presence of hydrogen and thus it is possible to detect the presence of hydrogen against the background of another technically relevant gas.

Příklad 6Example 6

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující postupně koncentraci 8 % obj. a 0 % obj. vodíku. Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 4 v reálném čase při teplotě 30 místnosti (24 °C). Sledované charakteristické odezvy prvku byly reprodukovatelně opakovatelné v sedmi testovaných cyklech, což znamená, že senzor vykazuje dobrou reprodukovatelnost pro detekci vodíku s maximální odchylkou pod 3 %. Stabilita senzoru plynného vodíku byla také testována měřením odezvy zařízení během 2 měsíců (s krokem 1 den) a výsledky jsou rovněž uvedeny v pravé části obr. 4. Senzor vykazoval konstantní odezvu nezávislou na vnějším prostředí 35 a podmínkách skladování.The sensor element was placed in an environment containing successively a concentration of 8% by volume and 0% by volume of hydrogen. The results of the transmission optical measurements are shown in Figure 4 in real time at 30 room temperature (24 ° C). The observed characteristic responses of the element were reproducibly repeatable in the seven cycles tested, which means that the sensor shows good reproducibility for hydrogen detection with a maximum deviation below 3%. The stability of the hydrogen gas sensor was also tested by measuring the response of the device over 2 months (in 1 day increments) and the results are also shown in the right part of Fig. 4. The sensor showed a constant response independent of external environment 35 and storage conditions.

Příklad 7Example 7

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující střídavě nulovou, a naopak postupně se 40 snižující koncentraci vodíku. Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 4 v reálném čase při teplotě místnosti (24 °C). Je zřejmé, že senzor vykazoval prokazatelné odezvy na všechny měřené koncentrace vodíku a vystavení senzoru vyšší koncentraci (spojené s následnou obnovou senzoru) neovlivňuje měření nižší koncentrace. Lze tedy konstatovat, že navrhovaná konstrukce senzoru má vynikající reprodukovatelnost a stabilitu.The sensor element was placed in an environment containing alternately zero, and conversely gradually decreasing hydrogen concentration. The results of the transmission optical measurements are shown in Figure 4 in real time at room temperature (24 ° C). It is clear that the sensor showed demonstrable responses to all measured hydrogen concentrations and exposure of the sensor to a higher concentration (associated with subsequent sensor recovery) does not affect the measurement of a lower concentration. Thus, it can be stated that the proposed sensor design has excellent reproducibility and stability.

Příklad 8Example 8

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující konstantní koncentraci vodíku (4 % obj. a 20 % obj.). Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 4 v reálném čase při různých so teplotách. Jak je patrné, senzor vykazuje stabilní odezvu v rozsahu teplot 0 až 50 °C. Kolísání teploty „téměř neovlivňuje odezvu senzoru v případě vyšší koncentrace vodíku a vede k mírnému posunu (2 %) odezvy senzoru v případě nižší koncentrace. Na rozdíl od běžného senzorového systému je citlivost navržené konstrukce senzoru nezávislá na změně teploty, a navíc umožňuje přímé měření koncentrace vodíku při pokojové teplotě a taktéž při nízké teplotě.The sensor element was placed in an environment containing a constant concentration of hydrogen (4% by volume and 20% by volume). The results of the transmission optical measurements are shown in Figure 4 in real time at different temperatures. As can be seen, the sensor shows a stable response in the temperature range 0 to 50 ° C. Temperature fluctuations “hardly affect the sensor response at higher hydrogen concentrations and lead to a slight shift (2%) of the sensor response at lower concentrations. Unlike a conventional sensor system, the sensitivity of the designed sensor design is independent of temperature changes, and in addition allows direct measurement of hydrogen concentration at room temperature as well as at low temperature.

- 4 CZ 308875 B6- 4 CZ 308875 B6

Příklad 9Example 9

Senzorový prvek byl umístěn v prostředí obsahující konstantní koncentraci vodíku (4 % obj. resp.The sensor element was placed in an environment containing a constant concentration of hydrogen (4% by volume resp.

% obj.). Výsledky transmisních optických měření jsou uvedeny na obr. 5 v reálném čase při 5 pokojové teplotě a zvýšené teplotě s postupně se zvyšující vlhkostí, jako proměnnou. Jak je patrné, odezva senzoru zůstává nezávislá na vlhkosti i na okolní teplotě. Konkrétně, jak poloha, tak tvar absorpčního pásu plazmonu, zůstávaly stejné. To dokazuje, že tato navržená konstrukce senzoru významně překonává aktuálně dostupné senzory z hlediska jejich necitlivostí vůči vlhkosti.% vol.). The results of the transmission optical measurements are shown in Fig. 5 in real time at 5 room temperature and elevated temperature with gradually increasing humidity as a variable. As can be seen, the response of the sensor remains independent of humidity and ambient temperature. In particular, both the position and the shape of the plasma absorption band remained the same. This proves that this proposed sensor design significantly outperforms currently available sensors in terms of their insensitivity to moisture.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález je využitelný pro výrobu optických vodíkových senzorů pro širokou oblast oborů zahrnující jeho využití např. v technologii výroby vodíku, bezpečného skladování vodíku a využití 15 vodíku v různých technologických procesech. Vynález umožňuje vzdálenou detekci vodíku s parametry přesahujícími v současnosti aktuální dostupné senzory.The invention is useful for the production of optical hydrogen sensors for a wide range of fields, including its use, for example, in hydrogen production technology, safe hydrogen storage and the use of hydrogen in various technological processes. The invention allows remote detection of hydrogen with parameters exceeding currently currently available sensors.

Claims (3)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Senzor vodíku na bázi plazmon-aktivních vláken, vyznačující se tím, že sestává z 5 multimodového vlákna o průměru 800/400 pm nebo 150/5 pm obal/jádro, na které je nanesena vrstva plazmon aktivního kovu, která je modifikována diazoniovou solí 4-amino-l,2-dithiolan-4karboxylové kyseliny a kovově organickými 3-dimenzionálními rámcovými strukturami obsahující zinek a organický ligand s nenasycenými kyslíkovými, sírovými popřípadě dusíkovými centry.A hydrogen sensor based on plasmon-active fibers, characterized in that it consists of 5 multimode fibers with a diameter of 800/400 μm or 150/5 μm sheath / core, on which a layer of plasmon active metal which is modified with a diazonium salt is applied. 4-amino-1,2-dithiolane-4-carboxylic acids and metallic organic 3-dimensional framework structures containing zinc and an organic ligand with unsaturated oxygen, sulfur or nitrogen centers. 2. Senzor vodíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako plazmon aktivní kov je použito zlato, stříbro nebo měď o tloušťce vrstvy 10 až 50 nm.Hydrogen sensor according to Claim 1, characterized in that gold, silver or copper with a layer thickness of 10 to 50 nm is used as the plasmon active metal. 3. Senzor vodíku podle nároku 1 a 2, vyznačující se tím, že jako selektivní vrstva je použita 15 kovově organická rámcová struktura, s vysokou afinitou vůči vodíku a tloušťkou 5 až 500 nm.Hydrogen sensor according to Claims 1 and 2, characterized in that a metallic-organic frame structure with a high affinity for hydrogen and a thickness of 5 to 500 nm is used as the selective layer.
CZ2019259A 2019-04-26 2019-04-26 Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection CZ308875B6 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019259A CZ308875B6 (en) 2019-04-26 2019-04-26 Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019259A CZ308875B6 (en) 2019-04-26 2019-04-26 Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2019259A3 CZ2019259A3 (en) 2020-12-16
CZ308875B6 true CZ308875B6 (en) 2021-07-28

Family

ID=73744350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2019259A CZ308875B6 (en) 2019-04-26 2019-04-26 Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ308875B6 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150223739A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 California Institute Of Technology Reflowed gold nanostructures for surface enhanced raman spectroscopy
WO2017046179A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 Daniel Aili End-cap suitable for optical fiber devices and nanoplasmonic sensors
WO2017193223A1 (en) * 2016-05-12 2017-11-16 Senswear Inc. Optical fiber sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150223739A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 California Institute Of Technology Reflowed gold nanostructures for surface enhanced raman spectroscopy
WO2017046179A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 Daniel Aili End-cap suitable for optical fiber devices and nanoplasmonic sensors
WO2017193223A1 (en) * 2016-05-12 2017-11-16 Senswear Inc. Optical fiber sensor

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2019259A3 (en) 2020-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pawar et al. A review on nanomaterial-modified optical fiber sensors for gases, vapors and ions
Cao et al. Optical fiber-based evanescent ammonia sensor
CN102183485B (en) Methane sensing device based on long-period fiber grating
Dai et al. Greatly etched fiber Bragg grating hydrogen sensor with Pd/Ni composite film as sensing material
Liu et al. Relative humidity sensor based on S-taper fiber coated with SiO 2 nanoparticles
CN108152220B (en) Sensitive film embedded optical fiber hydrogen sensor based on double C-shaped miniature cavity
Fisser et al. High-sensitivity fiber-optic sensor for hydrogen detection in gas and transformer oil
Dikovska et al. ZnO thin film on side polished optical fiber for gas sensing applications
Huang et al. Ultrafast response optical microfiber interferometric VOC sensor based on evanescent field interaction with ZIF‐8/graphene oxide nanocoating
Mądry et al. Simultaneous measurement of temperature and relative humidity using a dual-wavelength erbium-doped fiber ring laser sensor
Feng et al. Trace carbon monoxide gas sensor based on PANI/Co 3 O 4/CuO composite membrane-coated thin-core fiber modal interferometer
Mohammed et al. Highly sensitive fiber Bragg grating based gas sensor integrating polyaniline nanofiber for remote monitoring
Deng et al. Trace hydrogen sulfide gas sensor based on tungsten sulfide membrane-coated thin-core fiber modal interferometer
Wu et al. Palladium-coated silica microfiber knots for enhanced hydrogen sensing
Xu et al. Simultaneous detection of carbon dioxide and relative humidity using polymer-coated fiber Bragg gratings
Cai et al. Functional film coated optical micro/nanofibers for high-performance gas sensing
CN104931458A (en) MZI (Mach-Zehnder interferometer) hydrogen sensor based on fiber brag grating microcavity
Miki et al. A fractional exhaled nitric oxide sensor based on optical absorption of cobalt tetraphenylporphyrin derivatives
CZ308875B6 (en) Hydrogen sensor based on plasmon-active fibres functionalized with a porous metal-organic layer for "remote" non-electrical detection
He et al. Carbon monoxide gas sensor based on an α-Fe2O3/reduced graphene oxide quantum dots composite film integrated Michelson interferometer
Kocache Gas sensors
Xu et al. Highly sensitive fiber relative humidity sensor based on tip Michelson interferometer with agarose gel coating
Debliquy et al. Review of the use of the optical fibers for safety applications in tunnels and car parks: pollution monitoring, fire and explosive gas detection
Angelini et al. Plastic optic fiber sensor for cumulative measurements
Shafiekhani et al. New optical sensor based on the immobilization of a triazene ligand in PVC membrane for Hg (II) ion