摘要：氢气作为一种丰富且清洁的能源，具有高能量密度，或许可助力世界逐渐摆脱化石燃料，完成向脱碳的清洁能源过渡。然而，这种透明、无味的气体无法通过人体感官直接检测到，最低燃烧极限仅为约4 vol%，加上快速扩散性，为氢气的生产、储存和使用带来了安全隐患。目前，商业化氢

氢气作为一种丰富且清洁的能源，具有高能量密度，或许可助力世界逐渐摆脱化石燃料，完成向脱碳的清洁能源过渡。然而，这种透明、无味的气体无法通过人体感官直接检测到，最低燃烧极限仅为约4 vol%，加上快速扩散性，为氢气的生产、储存和使用带来了安全隐患。目前，商业化氢气传感器主要采用钯（Pd）传感器和氧化物材料，但这些材料响应度较低、需要在高温下运行，且响应时间较长，无法同时满足各国制定的氢安全传感器的所有性能目标。

氢气传感器的应用及局限性。图片来源：ACS Sens. [1]

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学、英国曼彻斯特大学Thomas D. Anthopoulos课题组在Nature Electronics 杂志上发表论文，采用有机半导体作为活性层，可实现氢气的快速检测。传感器响应度高、响应时间短、检测限低、在严苛测试环境下稳定性良好，可连续运行超过646天，各项指标均优于商业氢气检测器。

有机半导体氢气传感器。图片来源：曼彻斯特大学 [2]

研究者选用DPP-DTT聚合物作为活性材料，通过旋涂或打印的方式将其沉积在叉指铂电极上。在空气中，器件的I-V曲线呈线性，表现出欧姆导电特性。然而，当H2浓度逐渐增加至1000 ppm时，传感器在1.0 V偏压下的电流呈对数下降，下降幅度超过10000倍，检测限低至192 ppb。此外，传感器还具有快速动态响应特性，当氢气浓度达到1%（10000 ppm）时，传感器的上升时间和下降时间分别为0.83±0.08 s和6.52±0.21 s。

器件示意图及氢气传感特性。图片来源：Nat. Electron.

为了探究传感器对氢气高效检测的机理，研究者进行了DFT模拟计算。在空气中，氧气对有机半导体的p型掺杂作用使费米能级上移，提高了空穴的传输能力，使器件的界面表现出接近欧姆接触的特性，提高了器件的导电性。态密度（DOS）计算进一步表明，物理吸附的O2分子会在带隙内形成未占据的能级。当氢气扩散到活性材料层时，氢分子迅速渗透进有机半导体，降低其功函数，并在电极表面被催化裂解成氢原子，与吸附的氧原子发生反应。这个过程降低了氧掺杂效应，使得有机半导体界面的肖特基势垒增大，导致器件电流迅速下降，从而实现氢气的检测。

器件工作原理及理论模拟，。图片来源：Nat. Electron.

生成的水分子蒸发离开器件后，保持氢气持续存在，电流则保持在较低水平。停止氢气供给后，器件重新暴露于空气，氧分子再次掺杂，电流迅速恢复。此外，若改用Au电极，因其无法有效解离氢气，器件对氢气几乎没有响应；若改用PEDOT:PSS作为活性材料，其高离子电导率抑制了氧分子的p型掺杂效应，也无法实现有效的氢气检测。

氢气快速检测。图片来源：Nat. Electron.

随后，研究者对五种常见的有机半导体进行了测试分析，发现O2的p型掺杂和H2的去掺杂过程普遍存在。DPP-DTT传感器表现出最高的响应性，而P3HT器件则性能较差。另一种电子传输型的有机半导体材料由于不具有氧气引起的p型掺杂现象，因此对氢气完全没有响应。当环境温度从60°C升高到120°C时，传感器的响应性下降，归因于温度升高，氧气和氢气的吸附率降低。这些对比进一步支持了p型掺杂及去掺杂的传感机制。

DPP-DTT传感器还具有优异的选择性和稳定性。在不同挥发性有机物（如乙醇、甲醇、丙酮和甲苯）存在下，氢气的绝对响应性变化约为其他化合物的四个数量级。尽管氢气响应随湿度增加而减小，但在常温常湿（20–24 °C，50–60%相对湿度）环境中，该传感器在646天内保持了对1000 ppm氢气的良好响应性能。

不同有机半导体传感器的传感性能特性。图片来源：Nat. Electron.

作者将该传感器用于多种实际场景测试，以评估其性能。例如，作为动态泄漏检测器，筛查管道的泄漏位置；在封闭房间内刺破氢气球，与商业氢气传感器的响应时间进行对比；在房间内设置多个传感节点，通过无线方式实时定量监测氢气浓度。在所有这些应用中，DPP-DTT传感器的响应性能都比便携式商用检测器更好，并且由于无需高温气体脱附，传感器的功耗仅为2 μW。这些特点证明了它在家庭、工业和运输网络中广泛应用的巨大潜力。

不同场景中有机氢气传感器的响应评估与比较。图片来源：Nat. Electron.

“这种传感器为氢气安全技术带来了新的突破，经济实惠、可靠性高且性能优异，完全达到美国能源部指定的固定式和汽车氢安全传感器的性能目标，有可能改变我们在工业、家庭和交通运输中处理氢气的方式”，Thomas Anthopoulos说，“我希望我们的有机传感器将有助于建立对新兴氢技术的信任，使它们对每个人都更容易获得、更安全”。[2]

A robust organic hydrogen sensor for distributed monitoring applications

Suman Mandal, Adam V. Marsh, Hendrik Faber, Tanmay Ghoshal, Dipak Kumar Goswami, Leonidas Tsetseris, Martin Heeney & Thomas D. Anthopoulos

Nat. Electron.2025, 8, 343–352, DOI: 10.1038/s41928-025-01352-y

参考文献：

[1] I. Darmadi, et al. High-Performance Nanostructured Palladium-Based Hydrogen Sensors—Current Limitations and Strategies for Their Mitigation. ACS Sens.2020, 5, 3306-3327.

[2] Scientists develop hydrogen sensor that could pave the way for safer, cleaner energy

（本文由小希供稿）

来源：X一MOL资讯