Autonome Wasserstoff-Sensoren für IoT-Anwendungen

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Sensoren, die mit der Energie, die man aus kleinen Temperaturunterschieden gewinnen kann, autonom betrieben werden können, sind vielversprechende Kandidaten für die steigende Nachfrage an nachhaltigen und wartungsfreien Sensoren innerhalb von IoT-Netzwerken. Bislang werden die meisten solcher Netzwerkvorrichtungen, die in einer IoT-Umgebung Daten sammeln und versenden können, durch Batterien versorgt, die ein häufiges und teures Aufladen bedingen. Darüber hinaus führt hier der massive Einsatz von guten thermoelektrischen Materialien, wie z. B. Bismut oder Blei/Tellur-Verbindungen, oftmals zu umweltrelevanten Problemen.

Hier bringt ein alternativer Ansatz aus Silizium vielerlei Vorteile mit sich: der geringe Preis, Silizium ist nicht toxisch, biokompatibel, verfügt über eine exzellente chemische und mechanische Stabilität und hat eine hohe industrielle Kompatibilität.

Spanischen Wissenschaftlern ist es nun gelungen, thermoelektrische Wasserstoffsensoren herzustellen, indem sie papierähnliches Gewebe aus funktionalisierten Silizium-Nanoröhren aufbauten, die in der Lage sind, die Energie aus der Wärme von exothermen Reaktionen wie der wasserstoffkatalytischen Oxidation für die Speicherung und Weiterleitung von Daten zu nutzen.

Der in der Umgebungsluft vorhandene Wasserstoff wird hierbei über katalytische Prozesse an den Silizium-Nanoröhren zu Wasser verbrannt. Die dabei frei gewordene Energie sorgt für einen Temperaturgradienten innerhalb des Gewebes und betreibt damit den Sensor. Dieser kann somit bei Vorhandensein von Wasserstoff Messwerte autonom, kostengünstig und umweltfreundlich speichern und weiterleiten.

Die Experimente zeigen, dass dieser Sensor Konzentrationen von bis zu 250 ppm Wasserstoff in der Luft messen kann und bei Raumtemperatur Leistungsdichten von bis zu 0,5 μW cm-2 erzeugt, die für das Speichern und Senden eines Messwertes genutzt werden können.

Durch eine Cross-Plane-Konfiguration lässt sich hier die Leistung einfach mit zunehmender Fläche nach oben skalieren und darüber hinaus arbeitet der Sensor auch bei Raumtemperatur sehr effizient. Aufgrund der Universalität dieses Konzeptes ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten bei der Entwicklung autonom arbeitender Sensoren innerhalb von IoT-Umgebungen in sicherheitsrelevanten Szenarien, wie z. B. innerhalb von Automobilen, in Brennstoffzellen, sowie in zahlreichen weiteren industriellen Segmenten.

Autor: Dr. Ronald Hinz, Market Intelligence Senior Expert, SVP Deutschland AG
Quelle: “Highly Sensitive Self-Powered H2 Sensor Based on Nanostructured Thermoelectric Silicon Fabrics” from Mercè Pacios Pujadó, Jose Manuel Sojo Gordillo, Hemesh Avireddy, Andreu Cabot, Alex Morata, and Albert Tarancón, Catalonia Institute for Energy Research (IREC) Spain in Adv. Mater. Technol. 2020, DOI: 10.1002/admt.202000870, September 2020