石破天氢：以高精度光学传感技术筑牢氢能安全防线
在“双碳”目标持续推进和氢能产业加速发展的背景下，生产、储存、运输与应用环节的安全监测正成为氢能规模化发展的关键支撑。氢气无色无味、扩散速度快，空气中体积分数约4%—75%时均可能形成爆炸性混合物，微小泄漏若未被及时发现，极易带来安全风险。面向这一现实需求，中国石油大学(北京)克拉玛依校区“石破天氢”团队聚焦高精度氢气检测，自主研发基于表面等离激元(SPR)的光学气体传感系统，探索以更快响应、更高灵敏度和更强环境适应性，为涉氢场景提供国产化安全监测方案。
图1 项目产品样品
项目的核心，是把微纳光学结构与气体敏感材料进行协同设计。团队构建金属—绝缘体—金属(MIM)共振腔，并以钯作为氢敏材料。当环境中氢气浓度发生变化时，钯吸氢后产生的微小形变会引起共振条件变化，系统通过捕捉透射光谱峰位的偏移，实现对气体浓度的测量。相较于将敏感材料直接置于共振腔内的传统结构，该设计将气体敏感部分与共振腔功能解耦，既改善了气体接触条件，也为器件分工制造、组装和后续微型化提供了空间。
图2 SPR-MIM共振腔结构示意图
围绕复杂工况下的稳定检测，团队进一步引入温度补偿机制、深度学习和多参数联合优化，对材料、膜厚、栅格、栅距等关键变量进行协同寻优。项目资料显示，系统理论检测精度可达0.01 ppm，响应时间为200 ms，模型识别准确率达到98%;在1—2 MPa、-50℃—125℃的设定工作范围内，检测误差控制在±0.3%FS以内。相关研究已形成论文、发明专利等阶段性成果，技术路线正由理论建模和仿真优化逐步走向器件验证。
目前，项目已进入企业试点与产业验证阶段。团队围绕不同工业场景开展定制化气体监测方案测试，并与克里特集团、拜瑞工业等企业开展技术验证与合作。项目资料显示，相关产品已完成连续6个月试点，产生200余万元综合经济效益。与此同时，团队持续走进实验室和加氢站等真实场景，围绕设备布点、环境适应性和工程化部署开展测试与调研，使研发过程更贴近一线安全监测需求。
图3 团队开展实验测试与加氢站现场调研
面向未来，“石破天氢”计划进一步推进多组分气体检测、智能算法与高效通信技术的融合，拓展石油化工、输氢管网、环境监测、航空航天及工业安全等应用场景。从微纳尺度的光学共振结构，到面向工业现场的实时预警系统，团队正尝试把高精度光学传感转化为可部署、可推广的安全基础设施，为氢能产业规模化发展补上关键的“感知”一环。
