TWI403716B - 氫氣檢測器、系統及方法 - Google Patents

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Description

氫氣檢測器、系統及方法
本發明是有關於一種氫氣檢測器、系統及方法，特別是指一種多孔表面結合鈀元素及螢光化合物之氫氣檢測器、系統及方法。
氫氣是取代化石燃料的重要能源，已知用於火箭推進器或燃料電池。然而，因為氫氣易爆炸，所以儲存氫氣必須小心。在儲存系統用於偵測氫氣的方法有很多，在這些方法中，已知對含氫氣體選擇性吸附氫氣的一種材料稱為鈀(Pd)，會在表面吸附氫氣(H2 )使鈀氫化合物(PdHx)增加，如反應式1。現有偵測氫氣的方法大致分為兩種：一種是電學方式，也就是利用鈀產生鈀氫化合物之電壓變化來偵測氫氣，另外一種是光學方式，已知有提出以雷射光束打在鈀氫化合物的反射比(reflectance)的變化來偵測氫氣。
近來，在生物技術領域，螢光感測技術被普遍應用，因為利用螢光分子作感應溫度與壓力元件的分辨率極佳；習知的生物晶片儀係由雷射光源發出雷射光，此雷射光到達待測晶片表面，令晶片上的螢光分子受到雷射光激發而產生螢光，通過光學鏡組濾除非必要光後，配合如光電倍增管之光學感應器感應光訊號並轉為電子訊號，再將此訊號輸入電腦轉換成圖像以進行判讀。
然而，目前未有結合類似前述螢光感測的偵知氫氣的檢測技術。
因此，本發明之目的，即在提供一種多孔表面結合鈀元素及螢光化合物之氫氣檢測器、系統及方法。
本發明的氫氣偵測器係配合一光學檢測儀偵知氣體中的氫氣，包含一具有一多孔表面之基材，及一具有附著於該多孔表面的鈀及具溫度靈敏度的螢光化合物的反應層。藉此，該螢光化合物受該光學檢測儀之光源激發生成螢光，該氣體中的氫氣與鈀反應而升溫，令該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化供該光學檢測儀偵知該氣體中的氫氣。
本發明的氫氣檢測系統係用於偵知氣體中的氫氣，該系統包含一氫氣檢測器、一噴灑器及一光學檢測儀。該噴灑器將含有氫氣之氣體噴灑於該氫氣檢測器。該氫氣檢測器包括一具有一多孔表面之基材，及一具有附著於該多孔表面的鈀及具溫度靈敏度的螢光化合物的反應層。
該光學檢測儀包括一光源、一轉換裝置及一輸出裝置；該光源激發該氫氣檢測器之螢光化合物反應生成螢光，且於噴灑該氣體時，氫氣與鈀反應而升溫，令該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化；該轉換裝置感應該氫氣檢測器產生之螢光並轉換為電訊號；該輸出裝置將該轉換裝置產生之電訊號轉換為可讀資訊。
本發明的氫氣檢測方法包含下述步驟：(a)以一光源激發一氫氣檢測器，令該螢光化合物反應生成螢光；(b)以一噴灑器將含有氫氣之氣體噴灑於該氫氣檢測器，令其中的氫氣與該氫氣檢測器之鈀反應產生一鈀氫化合物並升溫，且該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化；及(c)以一轉換裝置感應該氫氣檢測器產生之螢光並轉換為電訊號，並配合以一輸出裝置將該轉換裝置產生之電訊號轉換為可讀資訊。
本發明的氫氣檢測器、系統及方法之功效在於：配合具溫度敏感性的螢光化合物並藉由氫氣與鈀反應而升溫令螢光強度受升溫影響產生變化，過程容易實現；相較於傳統使用鈀塊或鈀箔及現有雷射光束打在鈀氫化合物的反射比技術，本發明的氫氣檢測器具有較強的訊號變化差異。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，本發明之較佳實施例中，氫氣偵測系統100包含一氫氣偵測器1、一噴灑器2及一光學檢測儀3；其中，噴灑器2是將含有氫氣之氣體噴灑於氫氣檢測器1的感應層4上，利用噴灑至表面的方式以利於大面積的分子結合，激發感應層4中的螢光化合物(Luminophore)使其產生光學變化，藉此量測較全面(非點狀)的資訊。
光學檢測儀3包括一光源31、一轉換裝置32及一輸出裝置33，其中，轉換裝置32(如：光電倍增器附加帶通濾波器)感應氫氣偵測器1的感應層4中的螢光化合物產生之螢光並轉換為電訊號；輸出裝置33(如：示波器或電腦螢幕)再將轉換裝置32產生之電訊號轉換為可讀資訊如變化波形供使用者判讀，且以時間解析(Time-resolved)和反射強度變化為基礎以增加精確度。
配合圖2，氫氣偵測器1的反應層4附著在一具有多孔表面101之基材10，且反應層4具有鈀元素41及具溫度靈敏度的螢光化合物42，鈀元素41及螢光化合物42皆附著於多孔表面101。
本較佳實施例具溫度靈敏度之螢光化合物42是採用銪三族(Europium(III))的thenoyltrifluoacetonate(簡稱EuTTA)作為，氫氣偵測器1的製作方式是將基材10浸在鈀溶液一段時間後，鍍上(coating)鈀元素41的多孔顆粒物(pellet)，且將螢光化合物42在己烷(10-6 莫耳)中分解，此係因為螢光化合物42結合於多孔表面101需浸泡沉澱(dipping deposition)並選用溶劑的極性(polarity of solvents)，令螢光化合物42吸附在多孔表面101上，如此就完成了在多孔表面結合作為氫氣偵測器(Probe)之鈀元素41及螢光化合物42。
前述螢光化合物42受光學檢測儀3之光源31激發生成螢光，本較佳實施例是採用紫外光二極體陣列作為EuTTA的激發光源，波長是375 nm；氣體中的氫氣40與鈀元素41反應而升溫，令螢光化合物42之螢光強度受升溫影響產生變化供光學檢測儀3之轉換裝置32偵知氫氣40，本較佳實施例的轉換裝置32包括光電倍增管及620 nm±50 nm的帶通濾波器，噴灑氫氣40後以公式1決定螢光變化。
參閱圖3，當鈀Pd ( 多孔) 結合氫氣nH 2 將產生鈀氫化合物PdH x (多孔) 及熱能，如以下的反應式。
鈀元素Pd (多孔) 反應為鈀氫化合物PdH x (多孔) 之過程稱為質子化(Protonation)，而鈀氫化合物PdH x (多孔) 經過去質子化(Deprotonation)過程還原為鈀元素Pd (多孔) 。
若使用具溫度靈敏度的螢光化合物Lu 以光源照射令將其成為激發狀態，配合反應式3，在吸收反應式2得到之熱能可反應為激發狀態的螢光化合物Lu * ，再反應回到未激發狀態的螢光化合物Lu ，此過程為熱抑制(thermal quenching)。
注意此熱能是由反應式2中的質子化過程產生，氫氣偵測器1即是結合反應式2及反應式3的原理所設計。
參閱圖4，並配合圖1及圖2，本發明的氫氣檢測方法即包含下述步驟：
步驟401：以光源31激發多孔表面101結合鈀元素41及螢光化合物42之氫氣檢測器1，令螢光化合物42反應生成螢光。
步驟402：以噴灑器2將含有氫氣40之氣體噴灑於該氫氣檢測器，1令其中的氫氣40與該氫氣檢測器1之鈀元素41反應產生鈀氫化合物並升溫(如反應式2)，且螢光化合物42之螢光強度受升溫影響產生變化。
步驟403：以轉換裝置32感應氫氣檢測器1產生之螢光並轉換為電訊號，並配合以輸出裝置33將轉換裝置32產生之電訊號轉換為可讀資訊。
步驟404：將氫氣檢測器1去質子化以使鈀氫化合物還原為鈀元素(如反應式3)。
以下介紹二對照組及本發明的氫氣檢測方法的實驗結果。
I.　第一對照組：
第一對照組是噴灑氫氣在鈀箔(Pd foil)表面，在鈀箔上打紅光雷射以觀察變化百分比，變化以公式2表示。
參閱圖5，其中的X軸代表反應時間，Y軸代表信號變化的百分比，可觀察到氫氣噴灑在鈀箔表面的變化百分比，起始時間(0秒)即是對應含氫氣體開始噴灑在表面的時間，當在鈀箔表面噴灑時間t 0 =50秒，變化百分比增加，在噴灑過後則緩步回到沒有噴灑前的初始狀態，注意到噴灑時間t 0 的變化百分比低於0.4%。
II.　第二對照組與第一對照組之比較：
第二對照組主要也是噴灑氫氣，但是在多孔鈀表面打紅光雷射以觀察變化百分比，變化百分比也以公式2表示。
參閱圖6，注意使用多孔鈀的噴灑時間t 1 的變化百分比有超過6%的變化，且噴灑時間t 1 =5秒，只有第一對照組的噴灑時間t 0 的10%，其變化百分比也超過鈀箔的15倍。另外，可觀察到第二對照組的變化百分比的時間比第一對照組的變化百分比發生為快，這是因為多孔鈀的表面比鈀箔的塊狀表面有更多反應面積，也因此，多孔鈀有助於增強反應變化。
III.　本發明與二對照組之比較：
參閱圖7，顯示本發明的氫氣檢測方法有將近25%的變化差異，而本發明與第一及第二對照組的變化百分比的比較結果，本發明之變化百分比25%相較於第二對照組之變化百分比6%有超過4倍的信號變化量，相較於第一對照組之變化百分比0.4%有60倍的差異。另外，可觀察到多孔鈀和本發明的質子化週期為相同，然而，以螢光為基礎的本發明相較於以雷射反射為基礎的感測器的去質子化週期較短。
參閱圖8，說明本發明的氫氣檢測方法中，對應不同氫氣濃度所產生之變化百分比有正比關係。
綜上所述，本發明的氫氣檢測器、系統及方法之功效在於：配合具溫度敏感性的螢光化合物並藉由氫氣與鈀反應而升溫令螢光強度受升溫影響產生變化，過程容易實現；相較於傳統使用鈀塊或鈀箔及現有雷射光束打在鈀氫化合物的反射比技術，本發明的氫氣檢測器具有較強的訊號變化差異，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧氫氣偵測系統
1‧‧‧氫氣偵測器
10‧‧‧基材
101‧‧‧多孔表面
2‧‧‧噴灑器
3‧‧‧光學檢測儀
31‧‧‧光源
32‧‧‧轉換裝置
33‧‧‧輸出裝置
4‧‧‧感應層
40‧‧‧氫氣
41‧‧‧鈀元素
42‧‧‧螢光化合物
401~404‧‧‧步驟
圖1是一系統示意圖，說明本發明的氫氣偵測系統之較佳實施例；
圖2是一示意圖，說明本發明的氫氣偵測器之較佳實施例；
圖3是一示意圖，說明本較佳實施例之反應式；
圖4是一流程圖，說明本發明的氫氣檢測方法之較佳實施例；
圖5是一波形圖，說明第一對照組噴灑氫氣後的變化百分比；
圖6是一波形圖，說明第一對照組及第二對照組噴灑氫氣後的變化百分比的比較；
圖7是一波形圖，說明本發明與二對照組噴灑氫氣後的變化百分比的比較；及
圖8是一對照圖，說明對應不同氫氣濃度所產生之變化百分比有正比關係。
1．．．氫氣偵測器
10．．．基材
101．．．多孔表面
31．．．光源
32．．．轉換裝置
4．．．感應層
40．．．氫氣
41．．．鈀元素
42．．．螢光化合物

Claims (6)

  1. 一種氫氣檢測器，係配合一光學檢測儀偵知氣體中的氫氣，包含：一基材，具有一多孔表面；及一反應層，具有附著於該多孔表面之鈀及具溫度靈敏度的螢光化合物；藉此，該螢光化合物受該光學檢測儀之光源激發生成螢光，該氣體中的氫氣與鈀反應而升溫，令該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化供該光學檢測儀偵知該氣體中的氫氣。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之氫氣檢測器，其中，該螢光化合物係以己烷作為溶劑吸附在該多孔表面。
  3. 一種氫氣檢測系統，係用於偵知氣體中的氫氣，該系統包含：一氫氣檢測器，包括：一具有一多孔表面之基材，及一具有附著於該多孔表面的鈀及具溫度靈敏度的螢光化合物的反應層；一噴灑器，將含有氫氣之氣體噴灑於該氫氣檢測器；及一光學檢測儀，包括：一光源，激發該氫氣檢測器之螢光化合物反應生成螢光，且於噴灑該氣體時，氫氣與鈀反應而升溫，令該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化，一轉換裝置，感應該氫氣檢測器產生之螢光並轉換 為電訊號，及一輸出裝置，將該轉換裝置產生之電訊號轉換為可讀資訊。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之氫氣檢測系統，其中，該光源為一紫外光光源。
  5. 一種氫氣檢測方法，包含下述步驟：(a)以一光源激發一氫氣檢測器，該氫氣檢測器包括一具有一多孔表面之基材，及一具有附著於該多孔表面的鈀及具溫度靈敏度的螢光化合物的反應層，令該螢光化合物反應生成螢光；(b)以一噴灑器將含有氫氣之氣體噴灑於該氫氣檢測器，令其中的氫氣與該氫氣檢測器之鈀反應產生一鈀氫化合物並升溫，且該螢光化合物之螢光強度受升溫影響產生變化；及(c)以一轉換裝置感應該氫氣檢測器產生之螢光並轉換為電訊號，並配合以一輸出裝置將該轉換裝置產生之電訊號轉換為可讀資訊。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之氫氣檢測方法，還包括下述步驟：(d)將該氫氣檢測器去質子化以使該鈀氫化合物還原為鈀元素。
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