Forskere udvikler en detektor til kontinuerlig overvågning af giftige gasser

De fleste systemer, der bruges til at detektere giftige gasser i industrielle eller private omgivelser, kan kun bruges én gang eller i bedste fald et par gange. Forskere ved MIT har nu udviklet en detektor, der kan give kontinuerlig overvågning af tilstedeværelsen af ​​disse gasser til lave omkostninger.

Det nye system kombinerer to eksisterende teknologier og bringer dem sammen på en måde, der bevarer fordelene ved hver af dem, samtidig med at deres begrænsninger undgås. Holdet brugte et materiale kaldet et metal-organisk rammeværk eller MOF, som er meget følsomt over for små spor af gas, men hvis ydeevne hurtigt forringes, og kombinerede det med et polymermateriale, der er meget holdbart og lettere at behandle, men meget mindre følsomt .

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Advanced Materials , i et papir af MIT-professorerne Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik og Jesus del Alamo, kandidatstuderende Heejung Roh og postdocs Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho og Young-Moo Jo.

Meget porøse og med store overfladearealer kommer MOF'er i en række forskellige sammensætninger. Nogle kan være isolatorer, men dem, der bruges til dette arbejde, er stærkt elektrisk ledende. Med deres svampelignende form er de effektive til at fange molekyler af forskellige gasser, og størrelsen af ​​deres porer kan skræddersyes til at gøre dem selektive for bestemte typer gasser.

"Hvis du bruger dem som en sensor, kan du genkende, om gassen er der, hvis den har en effekt på modstanden af ​​MOF," siger Gumyusenge, avisens seniorforfatter og Merton C. Flemings Career Development Assistant Professor of Materials Videnskab og teknik.

Ulempen ved disse materialers brug som detektorer for gasser er, at de let bliver mættede og derefter ikke længere kan detektere og kvantificere nye input. "Det er ikke det, du ønsker. Du vil gerne være i stand til at opdage og genbruge," siger Gumyusenge. "Så vi besluttede at bruge en polymerkomposit for at opnå denne reversibilitet."

Holdet brugte en klasse af ledende polymerer, som Gumyusenge og hans medarbejdere tidligere havde vist, kan reagere på gasser uden at binde sig permanent til dem. "Polymeren, selvom den ikke har det høje overfladeareal, som MOF'erne har, vil i det mindste give denne genkende-og-frigive type fænomen," siger han.

Holdet kombinerede polymererne i en flydende opløsning sammen med MOF-materialet i pulverform og deponerede blandingen på et substrat, hvor de tørrer til en ensartet, tynd belægning. Ved at kombinere polymeren med dens hurtige detektionsevne og de mere følsomme MOF'er i et en-til-en-forhold, siger han, "pludselig får vi en sensor, der både har den høje følsomhed, vi får fra MOF'en, og den reversibilitet, der aktiveres af tilstedeværelsen af ​​polymeren."

Materialet ændrer sin elektriske modstand, når molekyler af gassen midlertidigt fanges i materialet. Disse ændringer i modstand kan overvåges kontinuerligt ved blot at vedhæfte et ohmmeter for at spore modstanden over tid. Gumyusenge og hans elever demonstrerede kompositmaterialets evne til at detektere nitrogendioxid, en giftig gas produceret af mange former for forbrænding, i en lille enhed i laboratorieskala. Efter 100 cyklusser med detektion bevarede materialet stadig sin baseline-ydeevne inden for en margen på omkring 5 til 10 procent, hvilket viser dets langsigtede brugspotentiale.

Derudover har dette materiale langt større følsomhed end de fleste nuværende detektorer for nitrogendioxid, rapporterer holdet. Denne gas opdages ofte efter brug af komfurer. Og med denne gas, der for nylig er forbundet med mange astmatilfælde i USA, er pålidelig påvisning i lave koncentrationer vigtig. Holdet demonstrerede, at denne nye komposit reversibelt kunne detektere gassen i koncentrationer så lave som 2 ppm.

Mens deres demonstration specifikt var rettet mod nitrogendioxid, siger Gumyusenge, "vi kan helt sikkert skræddersy kemien til at målrette andre flygtige molekyler," så længe de er små polære analytter, "som har tendens til at være de fleste af de giftige gasser."

Udover at være kompatibel med en simpel håndholdt detektor eller en røgalarm type enhed, er en fordel ved materialet, at polymeren tillader det at blive aflejret som en ekstremt tynd ensartet film, i modsætning til almindelige MOF'er, som generelt er ineffektive. pulverform.

Fordi filmene er så tynde, er der kun behov for lidt materiale, og produktionsmaterialeomkostningerne kan være lave; bearbejdningsmetoderne kunne være typiske for dem, der anvendes til industrielle belægningsprocesser. "Så den begrænsende faktor vil måske være at opskalere syntesen af ​​polymererne, som vi har syntetiseret i små mængder," siger Gumyusenge.

"De næste skridt vil være at evaluere disse i det virkelige liv," siger han. For eksempel kunne materialet påføres som en belægning på skorstene eller udstødningsrør for kontinuerligt at overvåge gasser gennem aflæsninger fra en tilsluttet modstandsovervågningsanordning. I sådanne indstillinger siger han:"Vi har brug for tests for at kontrollere, om vi virkelig adskiller det fra andre potentielle forurenende stoffer, som vi måske har overset i laboratoriemiljøet. Lad os sætte sensorerne ud i virkelige scenarier og se, hvordan de gør."

Flere oplysninger: Heejung Roh et al., Robust Chemiresistive Behavior in Conductive Polymer/MOF Composites, Advanced Materials (2024). DOI:10.1002/adma.202312382

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.