基于复合敏感材料和光加热自补偿的光纤氢气传感新原理与应用研究

Current research work on optical fiber hydrogen sensing technologies encounters two core challenges of instability of hydrogen sensitive materials and weak anti-jamming ability of sensing structure. To solve such problem, this proposal aims to investigate novel WO3 materials based on SiO2 doping and Pt/Pd surface decoration, and therefore to new hydrogen-sensitive materials with good catalyst and improved stability. Then system with controllable heating and self-compensation based on tunable laser will be constructed to solve the interference of environmental temperature and relative-humidity variation. Theoretical investigation on the stability of WO3 phase transition with different SiO2 doping will be conducted in the project, also the absorption ability and catalyst effect of Pt-rich Pt/Pd surface decoration will be analyzed. Experimental research on the technical problem of optical heating and self-compensation will be carried out on, the aim is to design and realize the electrical control of tunable laser for a balanced heating on the sensor head. A self-compensated hydrogen sensing system based on WO3 materials with SiO2 doping and Pt/Pd surface decoration will be proposed for a reliable application. This work can find applications in accurate hydrogen concentration detection and hydrogen safety alarming, which could show promising prospect in national defense and safe operation of hydrogen industry.

针对当前国内外光纤氢气传感技术研究存在的敏感材料稳定性和传感结构的抗干扰能力的两个核心关键问题，本项目拟研究Pt/Pd协同表面修饰、SiO2掺杂改性的新型WO3材料的设计和制备，获得具有良好催化活性和稳定性的氢气敏感材料；构建具有自补偿功能的可控加热传感结构，解决环境温度、环境湿度和光路干扰等影响传感性能的技术问题。需要理论研究WO3相变的内在机制，分析SiO2的掺杂量对相变稳定性的影响；揭示表面富集Pt原子的Pt/Pd对氢气吸附能力和催化效果提升的内在机理；实验研究光加热和自补偿系统中温度补偿和控制的技术问题，探讨电调控单元的设计和逻辑控制，实现对可调加热激光光源的调控；建立基于Pd/Pt表面修饰掺杂WO3薄膜的自补偿光纤氢气传感系统。项目拟研制出满足实际应用的光纤氢气传感系统，实现氢气浓度的精确检测与安全预警，对国防安全和国民经济建设的安全运行具有十分重要的意义。

光纤氢气传感技术研究还存在氢气敏感材料稳定性的不足、环境温湿度的干扰和光信号系统可靠性等技术瓶颈，针对制约光纤氢气传感技术发展的主要因素，本项目深入研究制约敏感材料性能的科学机理，并提出了解决这些关键科技难点问题的技术方案。首先从材料设计和制备层面获得良好氢气传感稳定性的敏感材料，提出了Pd2Pt-Pt协同催化薄膜的设计和制备；其次研究了可控光加热技术方案，使敏感材料工作在稳定温度场，可以有效排除环境温湿度干扰；最后发展了同光路自参考的技术方案，结合波长与强度解调，从同一根光纤中同时获取传感信号与参考信号，极大地提高了光信号系统的可靠性，实现了ppm量级氢气浓度的精确测量。此外，还研究了基于介孔Pt/WO3粉体的光纤氢气传感技术，从机理上探索提高Pt/WO3粉体稳定性的方法；探究了基于离子插层的MoO3粉体光纤氢气传感技术方案。.本项目研究了表面富集Pt的WO3-Pd2Pt-Pt氢气复合敏感材料，提出了光加热技术并结合波长与强度相融合的解调方案，开发了新型光纤氢气检测系统，使得氢气敏感材料工作在一个温度相对稳定的环境中，提高了传感器的稳定性。该系统在空气中氢气最低检测极限可以达到20 ppm，分辨率可以达到5 ppm；在氮气气氛中，氢气最低检测极限可以达到10 ppm，分辨率可以达到ppb量级。.氢气浓度测量和氢气泄露监测在氢能源、核电站、变压器油状态监测等领域有重要应用前景。在国防领域，核弹存储的密闭系统中的核材料因腐蚀会释放微量氢气，需要通过监测密闭系统中氢气浓度变化来确定腐蚀情况，从而判断活性核材料的寿命，本项目的研究成果将有望在国防和民用领域需求中发挥作用。 .项目研究期间共发表学术论文21篇，申请和获得国家发明专利5项，在中文核心期刊“应用科学学报”上写了一篇长文综述文章，系统介绍了本项目的研究工作。项目研究成果受邀撰写了光纤氢气传感的SPIE Newsroom文章，在SPIE网站上报道。相关工作被国际工程新闻网站“工程进展”（Advances in Engineering，AIE）遴选为关键科学文章，并予以高亮专题报道。