Hydrogensensorer er avgjørende i mange applikasjoner, fra sikkerhet i industrielle prosesser til miljøovervåkning. Disse sensorene er designet for å oppdage og måle hydrogengass, som er både et viktig energibærende molekyl og en potensiell sikkerhetsrisiko på grunn av dens eksplosive egenskaper. Hydrogen sensorer opererer ved forskjellige prinsipper, avhengig av hvilken type sensor og teknologi som benyttes. De vanligste sensorene inkluderer elektrochemiske sensorer, resistansbaserte sensorer og optiske sensorer, hver med sine fordeler og ulemper.

Elektrochemiske sensorer

Elektrochemiske hydrogen sensorer består av tre hoveddeler: elektroder, elektrolytt og en gasspermeabilitetslag. Elektrodene er der elektronoverføring skjer, og de består vanligvis av edelmetaller som palladium, platina, gull eller sølv. Når hydrogengass kommer i kontakt med elektrodene, skjer en reaksjon som måles som en endring i strøm eller spenning. Strømtype sensorer fungerer med en lineær respons på hydrogenkonsentrasjonen, som gir høy sensitivitet, mens spenningsensorer opererer ved null strøm og måler spenningsforskjellen mellom en referanseelektrode og en sensor-elektrode. Den største fordelen med elektrochemiske sensorer er deres lave energiforbruk og god gjentakbarhet. Imidlertid har de en kort levetid, begrenset temperaturtoleranse og er utsatt for miljøpåvirkninger som trykk og temperatur.

Resistansbaserte sensorer

Resistansbaserte sensorer fungerer ved å utnytte endringen i resistansen til materialene i sensoren når hydrogen adsorberes på deres overflate. Disse sensorene er delt inn i to hovedtyper: halvledende metalloksid og ikke-halvledende metallbaserte sensorer. Metalloksid-type sensorer fungerer vanligvis ved høy temperatur (omtrent 500 °C), og deres virkemåte er avhengig av reaksjonen mellom hydrogen og oksygen på metal oksidlaget, noe som fører til en endring i resistansen. Mens de har høy sensitivitet, lider de av dårlig selektivitet og er sårbare for interferens fra andre gasser som karbonmonoksid eller metan. På den annen side er ikke-halvledende sensorer, som for eksempel palladiumbaserte sensorer, i stand til å operere ved romtemperatur og tilbyr høyere sensitivitet og rask respons. Disse sensorene er relativt billige og enkle å produsere, men deres levetid er også begrenset, og de kan utsettes for signifikante driftsproblemer over tid.

Optiske sensorer

Optiske sensorer representerer et mer moderne og ofte tryggere alternativ for hydrogenmåling. De fungerer ved å bruke fiberoptikk sammen med hydrogen-sensitive materialer som palladium eller magnesiumbaserte filmer. Når hydrogen reagerer med disse materialene, endres de fysiske egenskapene til fiberen, noe som påvirker de optiske egenskapene som transmittans og refleksjon. Fordelen med optiske sensorer er at de kan operere ved romtemperatur, de er ikke utsatt for elektromagnetiske forstyrrelser og er sikre i brannfarlige miljøer. De brukes ofte i scenarier som krever langdistanse deteksjon eller i områder hvor eksplosjonsfare er høy. Men disse sensorene har fortsatt utfordringer med respons- og gjenopprettingstid, samt selektivitet i komplekse gassblandinger.

Utfordringer og behov for utvikling

Hydrogensensorer, på tross av deres mange fordeler, står overfor flere tekniske utfordringer som hindrer deres optimale ytelse i ulike applikasjoner. En stor utfordring er responstiden til sensorene. For å kunne oppdage lekkasjer på et tidlig stadium, er det nødvendig at sensorene reagerer raskt, helst på mindre enn ett sekund. En annen utfordring er å forbedre sensorens følsomhet ved lave hydrogennivåer, noe som er viktig for å oppdage små lekkasjer som kan utvikle seg til farlige situasjoner. I tillegg er det viktig å forbedre sensorens selektivitet i komplekse miljøer, der tilstedeværelsen av andre gasser som metan eller karbonmonoksid kan påvirke nøyaktigheten i målingen.

For å sikre pålitelig drift må sensorene også kunne operere stabilt under forskjellige miljøforhold, inkludert ulike temperaturer og fuktighetsnivåer. Det er også avgjørende at sensorene har lang levetid og ikke viser betydelig signalavvik over tid.

Praktiske anvendelser og fremtidige perspektiver

Hydrogensensorer har et bredt spekter av praktiske anvendelser, fra brenselcellebaserte kjøretøy til hydrogenlagring og -transport, og til industrielle prosesser som bruker hydrogen som en råvare. Med økende interesse for hydrogen som en ren energikilde, vil behovet for pålitelige og nøyaktige sensorer bare øke. Spesielt innenfor hydrogenlagring og -transport er det essensielt å kunne oppdage små lekkasjer tidlig for å unngå potensielt farlige situasjoner.

Fremtidens sensorer vil sannsynligvis være en kombinasjon av flere teknologier for å møte de ulike kravene til følsomhet, respons, selektivitet og pålitelighet. Forsknings- og utviklingsarbeid på dette området er intensivt, og det er store forventninger til at disse teknologiene vil forbedres i årene som kommer, med muligheter for mer effektive, pålitelige og kostnadseffektive løsninger.

Hva er utfordringene og mulighetene med metanolbaserte brenselcellesystemer?

Metanolbaserte brenselcellesystemer er i ferd med å få en stadig større rolle på flere områder, inkludert mobil strømforsyning, mobile ladestasjoner, og integrerte militære og sivile kraftstasjoner. Denne teknologien, som også har bruksområder innenfor 5G-baserte basestasjoner, nødhjelp og øybasert strømforsyning, er blitt ansett som en effektiv løsning på både lokale og globale energiutfordringer.

I september 2019 startet byggingen av verdens største produksjonsanlegg for metanol-reformende brenselceller i Aalborg, Danmark. Anlegget, utviklet av Blue World Technologies, skal ha en årlig produksjon på 750 MW, tilsvarende 50 000 sett med brenselcelleenheter. Disse brenselcellene er utviklet med det mål å produsere null skadelige utslipp, samtidig som de benytter seg av metanol, som gir en effektiv og relativt ren energikilde. Dette er spesielt viktig i møte med de økende utfordringene knyttet til global luftforurensning og klimaendringer.

Blue World Technologies har i flere tiår utviklet teknologiske løsninger innen brenselceller, og har implementert et system som kombinerer metanolreformering og litiumbatterier. Den komplette løsningen består blant annet av en metanolreformator for drivstoffkonvertering, en DC-til-DC strømadapter, samt en brenselcellepakke for strømproduksjon. Systemet er utstyrt med en kontrollenhet som overvåker og styrer brenselcellenes funksjon, og sikrer at systemet fungerer optimalt i sammenheng med kjøretøyets egne systemer.

I 2018 ble verdens første lette lastebil drevet av metanol-reformende brenselceller satt i kommersiell drift i Kunshan, Kina. Denne lastebilen, utviklet i samarbeid mellom Dongfeng Special Vehicle Co. Ltd. og Suzhou Qingjie Power Supply Technology Co. Ltd., markerer en viktig milepæl for utviklingen av metanolbaserte brenselceller som drivkraft for transportmidler. Det unike med denne teknologien er at den benytter en metanol-vannblanding som gjennomgår en kjemisk reformering for å produsere hydrogen, som deretter brukes i brenselcellene. Denne metoden gjør at hydrogen kan produseres på etterspørsel med høy effektivitet og lavere kostnader enn tradisjonelle metoder som krever høyt trykk.

I januar 2020 ble verdens første 1000-tonns demonstrasjonsprosjekt for solenergi-basert grønn hydrogenmetanol gjennomført i Lanzhou, Kina. Prosjektet var et samarbeid mellom det kinesiske Dalian Institute of Chemical Physics og Hualu Engineering & Technology Co., og er et skritt mot industriell produksjon av metanol fra solenergi. Denne løsningen har potensialet til å redusere kostnadene for hydrogenproduksjon betydelig ved hjelp av et innovativt vannelektrolyse-katalysator. Dette betyr at det kan produseres grønn hydrogen-metall fra en rekke fornybare ressurser som solenergi, biomasse, biogass og til og med urbane avfallsmaterialer.

Metanol er et svært lovende alternativ som energibærer, ettersom det kan benyttes med eksisterende infrastruktur for lagring og distribusjon. I Kina, som er verdens største produsent og forbruker av metanol, har produksjonskapasiteten vokst betydelig, og landet har fortsatt ambisiøse planer for utvidelse. I 2017 nådde landets produksjonskapasitet 83,51 millioner tonn per år, og det er ventet at denne kapasiteten vil øke med ytterligere 20 millioner tonn per år i de kommende årene.

Kinas transportsektor er sterkt avhengig av fossile brensler, og metanolbaserte brenselcellesystemer kan bidra til å diversifisere energikildene og redusere landets avhengighet av olje og naturgass. En betydelig fordel med metanol som drivstoff er at det kan produseres i stor skala, samtidig som det gir fleksibilitet ved at det kan benyttes både i elektriske kjøretøy og som et supplement til batterier for å forlenge batterilevetiden.

Det er imidlertid flere utfordringer knyttet til denne teknologien. Produksjonen av grønn metanol har fortsatt lav effektivitet, og kostnadene for produksjon er relativt høye. Reformatorene som benyttes for metanolkrefting har også lav effektivitet, og de nødvendige rense- og separasjonsprosessene for å utvinne ren hydrogen er kostbare og har begrenset levetid. Det er også utfordringer knyttet til integrering av hydrogenbrenselcellesystemer, spesielt når det gjelder renheten på hydrogenet, katalysatorforgiftning og systemets totale levetid.

I tillegg til de tekniske utfordringene knyttet til metanolreformering, er det nødvendig med ytterligere forskning og utvikling for å forbedre prosessene for hydrogenlagring og distribusjon. Nåværende løsninger for hydrogenlagring, som ammoniakk og LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carriers), er fortsatt på et tidlig stadie, og det er behov for mer arbeid før de kan implementeres på stor skala. Sammenlignet med andre teknologier som ammoniakk, har metanolfordelen av å kunne utnytte eksisterende infrastruktur for transport og lagring, samt at det er mer økonomisk og lett tilgjengelig i store deler av verden.

Endtext

Hva er de mest lovende metodene for magnesiumbaserte hydrides i hydrogenlagring?

Magnesiumhydrider, spesielt MgH2, har lenge vært ansett som lovende materialer for hydrogenlagring på grunn av deres høye teoretiske hydrogenlagringskapasitet. Likevel er flere utfordringer forbundet med effektiv utnyttelse av MgH2, spesielt når det gjelder termodynamiske og kinetiske egenskaper. Forskning har derfor utviklet ulike metoder for å forbedre egenskapene til magnesiumhydridene, blant annet ved å redusere partikkelstørrelsen, bruke kompositter eller ved å implementere spesifikke behandlinger som kan øke reaksjonshastigheten og stabiliteten.

En av de mest brukte metodene for å redusere partikkelstørrelsen til MgH2 er høyenergetisk ballmaling. Denne teknikken er effektiv for å skape nanoskalede materialer, men det er en utfordring å kontrollere partikkelstørrelsen nøyaktig innen ønsket intervall. På den annen side kan kjemisk reduksjon benyttes til å syntetisere metalliske Mg-nanokrystaller ved å redusere Mg2+ -prekursorer. Hydridering av magnesiumsalter under høyt hydrogentrykk (3-8 MPa) er en annen effektiv metode for å produsere MgH2, og det er mulig å gjøre dette ved relativt milde reaksjonsbetingelser.

Hydrering av magnesiumsalter kan gjøres gjennom reaksjoner som eksempelvis magnesium reagerer med hydrogen for å danne MgH2. Xia et al. har for eksempel demonstrert hvordan grafen-støttede MgH2 og Ni-nanopartikler kan syntetiseres under milde reaksjonsbetingelser (200 °C og 3,5 MPa H2). Denne prosessen gir små MgH2-nanopartikler med en størrelse på kun 2–5 nm og høy dispersjon. Etter 100 sykluser for hydrogenabsorpsjon og -desorpsjon, har materialet fortsatt en høy massehydrogenlagring på 5,35 vektprosent.

En annen tilnærming er arkplasmafordampningsmetoden, der metall smeltes ved hjelp av høy temperatur generert av et lysbue, og deretter kondenserer til nano-størrelse partikler i et hydrogenmiljø. Denne metoden kan lage Mg nanopulver og nanotråder med diametre fra 30 til 170 nm, og gir en effektiv måte å fremstille nanoskalede Mg-materialer som kan brukes i hydrogenlagring.

MgH2-baserte komposittmaterialer er også en viktig utvikling i dette feltet. For eksempel er MgH2-LiBH4-komposittmateriale et av de mest undersøkte systemene de siste årene, takket være dets høye teoretiske lagringskapasitet. Dehydrogenering av disse komposittene kan utføres ved temperaturer på 300–350 °C. Gjennom reaksjonen dannes stabile mellomfaser som MgB2, som betydelig reduserer endringen i entalpi under hydrogenabsorpsjon og desorpsjon, og dermed forbedrer de termodynamiske egenskapene.

Det er også utfordringer med MgH2 som hydrogentransportmateriale, spesielt knyttet til hydrolyseprosessen. Under hydrolysen av MgH2 dannes Mg(OH)2, som gradvis dekker overflaten av MgH2 og hemmer videre reaksjon. Denne passiveringslaget kan imidlertid fjernes ved å endre hydrolyseforholdene, tilføre katalysatorer, eller redusere partikkelstørrelsen for å øke den aktive overflatearealet. Tilsetting av sterke syrer som HCl, H2SO4 eller HNO3 kan senke pH-verdien i løsningen og akselerere hydrolysen. Metaller som FeCl3 og ZrCl4 kan også bidra til å forbedre hydrolyseprosessen ved å generere H+ ioner som hjelper til med å oppløse Mg(OH)2-laget.

Et bruksområde for magnesiumhydrider er som drivstoffcelle systemer, hvor hydrogen frigjøres via hydrolyseprosessen og brukes til å generere elektrisitet. Et slikt system har flere fordeler: høy energitetthet, høy sikkerhet og et ikke-giftig, resirkulerbart Mg(OH)2 biprodukt. Utfordringene med slike systemer inkluderer kontroll av hydrolysekinetikk og en stabil hydrogenproduksjon, samt integrering av systemene i kommersielle applikasjoner. Forskningsarbeid pågår for å optimalisere materialene, kontrollere vanntilførselen nøyaktig, og forbedre hydrogensystemenes drift.

På tross av de store fordelene som magnesiumbaserte materialer for hydrogenlagring kan gi, er det fortsatt utfordringer knyttet til deres kommersialisering. For eksempel kan tilsetning av template-materialer føre til "død masse" som ikke adsorberer eller desorberer hydrogen effektivt. Dette påvirker lagringskapasiteten og kompliserer produksjonsprosessen. Videre må fremtidig forskning adressere disse utfordringene, og mer presis kontroll over partikkelstørrelse og reaksjonsbetingelser vil være avgjørende for å realisere kommersiell anvendelse av disse materialene.

Hvordan kan vi forbedre hydrogenlagringsevnen til LiBH4?

LiBH4, eller litium-borhydrid, er et av de mest lovende materialene for hydrogenlagring på grunn av sin høye teoretiske hydrogeninnhold. Imidlertid står vi overfor flere utfordringer når det gjelder å gjøre denne prosessen praktisk og effektiv for industriell bruk. De viktigste utfordringene er relatert til de termodynamiske og kinetiske egenskapene til LiBH4, spesielt når det gjelder temperaturen ved hvilken hydrogenfrigjøring skjer, samt reaksjonens hastighet. For å adressere disse utfordringene, har forskere identifisert flere metoder for å forbedre hydrogenlagringsytelsen til LiBH4, enten ved å endre materialets struktur eller ved å manipulere de kjemiske reaksjonene som finner sted.

LiBH4 gjennomgår en faseovergang fra ortorombisk til heksagonal struktur ved rundt 105 °C, og ved høyere temperaturer, nær 277 °C, smelter det og frigjør hydrogen. Denne reaksjonen kan deles inn i flere trinn, som illustrert i figurene som viser de forskjellige faseendringene og de tilhørende entalpiforandringene. Ved høyere temperaturer, rundt 400 °C, begynner hovedfrigjøringen av hydrogen, og produktet er LiH og B. Den termodynamiske stabiliteten til LiBH4 gjør at det kan absorbere hydrogen igjen, men bare under svært høye trykk og temperaturer, noe som er en stor begrensning for praktisk anvendelse.

For å øke effektiviteten i hydrogenlagringen av LiBH4, finnes det flere tilnærminger. En av de mest lovende metodene er termodynamisk kontroll gjennom elementsubstitusjon og sammensatte hydrogener, hvor man endrer kjemiske egenskaper ved å tilsette andre elementer. For eksempel kan litiumbytter med andre kationer som magnesium eller kalsium redusere stabiliteten til LiBH4 og senke temperaturen for hydrogenfrigjøring. Dette kan bidra til å forbedre ytelsen ved å gjøre det lettere å frigjøre hydrogen ved lavere temperaturer.

En annen strategi er katalytisk doping, hvor man tilsetter katalysatorer som kan akselerere reaksjonshastigheten for både hydrogenabsorpsjon og -frigjøring. Typiske katalysatorer inkluderer oksider, halider og metalliske materialer. Forskning har vist at tilsetning av SiO2 kan redusere temperaturen for hydrogenfrigjøring til 200 °C, mens porøse strukturer som TiO2 kan ytterligere forbedre både kinetisk og termodynamisk ytelse ved å endre frigjøringsveien for hydrogen.

Nanostrukturering er en annen tilnærming som har vist seg å forbedre ytelsen til LiBH4. Ved å redusere partikkelstørrelsen til nanometer-nivå kan hydrogenabsorpsjon og desorpsjon akselereres, og stabiliteten til materialet kan forbedres. Metoder som løsemiddelfordampning, smeltebehandling og in-situ reaksjoner kan benyttes for å produsere nanostrukturerte LiBH4-materialer. Et eksempel på dette er LiBH4/graphene-komposittmaterialet, som kan frigjøre hydrogen ved 130 °C, og som viser lovende resultater i syklustesting.

En annen metodikk er å bruke komposittmaterialer som inneholder flere komponenter for å forbedre hydrogenlagringsegenskapene. For eksempel, ved å kombinere LiBH4 med LiNH2 dannes systemet Li3BN2H8, som har en høyere hydrogenlagringskapasitet på 11,9 vektprosent, men som også har noen utfordringer knyttet til reversibel hydrogenabsorpsjon.

En kritisk faktor for industriell implementering av LiBH4-baserte hydrogenlagringssystemer er å senke temperaturen og trykket som kreves for både hydrogenfrigjøring og -absorpsjon. Ved å optimalisere materialene gjennom strategier som elementsubstitusjon, katalytisk doping og nanostrukturering, er det mulig å gjøre LiBH4 til et mer praktisk og effektivt alternativ for hydrogenlagring i fremtiden.

Det er også viktig å merke seg at mens teknologiske fremskritt kan bidra til å redusere de nødvendige temperaturene og trykkene for hydrogenfrigjøring, vil videre forskning være nødvendig for å sikre at disse metodene kan implementeres på en industriell skala. Ytterligere studier på stabilitet, kostnadseffektivitet og syklusholdbarhet vil være avgjørende for å gjøre LiBH4 til en bærekraftig løsning for fremtidens energilagring.

Hvordan hemmelige planer kan endre en konflikt
Hvordan aktiveres og konfigureres Resource Governor og database-spesifikke innstillinger i SQL Server og Azure SQL?
Hvordan kan post-høstbehandling redusere mykotoksiner i korn og matvarer?