Ultrahurtig og ultrafølsom hydrogensensor

Et KAIST-team lavede en ultrahurtig hydrogensensor, der kan detektere hydrogengasniveauer under 1% på mindre end syv sekunder. Sensoren kan også registrere hundredvis af dele pr. Million niveauer af hydrogengas inden for 60 sekunder ved stuetemperatur.

En forskningsgruppe under professor Il-Doo Kim i Institut for Materialevidenskab og Teknik ved KAIST, i samarbejde med professor Reginald M. Penner fra University of California-Irvine, har udviklet et ultrahurtigt detektionssystem for hydrogengas baseret på et palladium (Pd) nanotrådarray belagt med en metal-organisk ramme (MOF).

Brint er blevet betragtet som en miljøvenlig næste generations energikilde. Imidlertid, det er en brandfarlig gas, der kan eksplodere selv med en lille gnist. Af hensyn til sikkerheden den nedre eksplosionsgrænse for hydrogengas er 4 vol%, så sensorer bør være i stand til hurtigt at opdage det farveløse og lugtfrie brintmolekyle. Betydningen af ​​sensorer, der er i stand til hurtigt at opdage farveløs og lugtfri hydrogengas, er blevet understreget i de seneste retningslinjer fra det amerikanske energiministerium. Ifølge retningslinjerne, hydrogensensorer bør detektere 1 vol% hydrogen i luften på mindre end 60 sekunder for passende respons- og genopretningstider.

For at overvinde begrænsningerne ved Pd-baserede hydrogensensorer, forskergruppen introducerede et MOF -lag oven på et Pd -nanotråd -array. Litografisk mønstrede Pd-nanotråde blev simpelthen overmalet med et Zn-baseret zeolit-imidazol-stel (ZIF-8) lag sammensat af Zn-ioner og organiske ligander. ZIF-8 film belægges let på Pd-nanotråde ved simpel dipning (i 2-6 timer) i en methanolopløsning inklusive Zn (NO3) 2 · 6H2O og 2-methylimidazol.

Som syntetiseret ZIF-8 er et meget porøst materiale sammensat af et antal mikroporer på 0,34 nm og 1,16 nm, hydrogengas med en kinetisk diameter på 0,289 nm kan let trænge ind i ZIF-8-membranen, mens store molekyler (> 0,34 nm) screenes effektivt af MOF -filteret. Dermed, ZIF-8-filteret på Pd-nanotråde tillader den dominerende penetration af brintmolekyler, hvilket fører til acceleration af Pd-baserede H2-sensorer med en 20 gange hurtigere genopretning og reaktionshastighed sammenlignet med uberørte Pd-nanotråde ved stuetemperatur.

Professor Kim forventer, at den ultrahurtige hydrogensensor kan være nyttig til forebyggelse af eksplosionsulykker forårsaget af lækage af hydrogengas. Ud over, han forventer, at andre skadelige gasser i luften nøjagtigt kan detekteres gennem effektiv nanofiltrering ved hjælp af en række forskellige MOF-lag.

Denne undersøgelse blev udført af ph.d. kandidat Won-Tae Koo (første forfatter), Professor Kim (medsvarende forfatter), og professor Penner (medsvarende forfatter). Undersøgelsen er blevet offentliggjort i online -udgaven af ACS -anvendte materialer og grænseflader , som omslagsbillede til septembernummeret.