Grafenskum detekterer sprængstoffer, emissioner bedre end nutidens gassensorer

(PhysOrg.com) - En ny undersøgelse fra Rensselaer Polytechnic Institute viser, hvordan grafenskum kan udkonkurrere førende kommercielle gassensorer til at detektere potentielt farlige og eksplosive kemikalier. Opdagelsen åbner døren for en ny generation af gassensorer, der kan bruges af bombehold, retshåndhævende embedsmænd, forsvarsorganisationer, og i forskellige industrielle omgivelser.

Den nye sensor målte med succes og gentagne gange ammoniak (NH3) og nitrogendioxid (NO2) i koncentrationer så små som 20 ppm. Lavet af kontinuerlige grafen nanoark, der vokser til en skumlignende struktur på størrelse med et frimærke og filttykkelse, sensoren er fleksibel, robust, og endelig overvinder de mangler, der har forhindret nanostruktur-baserede gasdetektorer i at nå markedet.

Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , udgivet af Nature Publishing Group. Se avisen, med titlen "Gasdetektion med høj følsomhed ved hjælp af et makroskopisk tredimensionelt grafenskumnetværk."

"Vi er meget begejstrede for denne nye opdagelse, som vi tror kan føre til nye kommercielle gassensorer, ” sagde Rensselaer Engineering Professor Nikhil Koratkar, som var med til at lede undersøgelsen sammen med professor Hui-Ming Cheng ved Shenyang National Laboratory for Materials Science ved det kinesiske videnskabsakademi. "Hidtil har sensorerne har vist sig at være væsentligt mere følsomme til at detektere ammoniak og nitrogendioxid ved stuetemperatur end de kommercielle gasdetektorer på markedet i dag."

I løbet af det seneste årti har forskere vist, at individuelle nanostrukturer er ekstremt følsomme over for kemikalier og forskellige gasser. At bygge og betjene en enhed ved hjælp af en individuel nanostruktur til gasdetektion, imidlertid, har vist sig at være alt for kompleks, dyrt, og upålidelige til at være kommercielt levedygtige, sagde Koratkar. En sådan bestræbelse ville involvere at skabe og manipulere positionen af ​​den individuelle nanostruktur, lokalisere det ved hjælp af mikroskopi, bruge litografi til at anvende guldkontakter, efterfulgt af andre langsomme, dyre skridt. Integreret i en håndholdt enhed, sådan en enkelt nanostruktur kan let beskadiges og gøres ubrugelig. Derudover det kan være udfordrende at "rense" den detekterede gas fra den enkelte nanostruktur.

Den nye frimærkestruktur udviklet af Koratkar har alle de samme attraktive egenskaber som en individuel nanostruktur, men er meget nemmere at arbejde med på grund af dens store, makroskala størrelse. Koratkars samarbejdspartnere ved det kinesiske videnskabsakademi dyrkede grafen på en struktur af nikkelskum. Efter at have fjernet nikkelskummet, hvad der er tilbage er en stor, fritstående netværk af skumlignende grafen. I det væsentlige et enkelt lag af den grafit, der almindeligvis findes i vores blyanter eller det trækul, vi brænder på vores grill, grafen er et atomtykt ark af kulstofatomer arrangeret som et hønsetrådshegn i nanoskala. Væggene på den skumlignende grafensensor består af kontinuerlige grafenplader uden fysiske brud eller grænseflader mellem pladerne.

Koartkar og hans elever udviklede ideen til at bruge denne grafenskumstruktur som en gasdetektor. Som et resultat af at udsætte grafenskummet for luft forurenet med spormængder af ammoniak eller nitrogendioxid, forskerne fandt ud af, at gaspartiklerne sad fast, eller adsorberet, til skummets overflade. Denne ændring i overfladekemi har en tydelig indflydelse på grafenens elektriske modstand. Måling af denne ændring i modstand er den mekanisme, hvormed sensoren kan detektere forskellige gasser.

Derudover graphene skum gasdetektoren er meget praktisk at rengøre. Ved at anvende en ~100 milliampere strøm gennem grafenstrukturen, Koratkars team var i stand til at opvarme grafenskummet nok til at fjerne det, eller desorbere, alle de adsorberede gaspartikler. Denne rensemekanisme har ingen indflydelse på grafenskummets evne til at detektere gasser, hvilket betyder, at detektionsprocessen er fuldt reversibel, og en enhed baseret på denne nye teknologi ville være laveffekt - ingen behov for eksterne varmeapparater til at rense skummet - og genbrugelig.

Koratkar valgte ammoniak som en testgas for at demonstrere proof-of-conceptet for denne nye detektor. Ammoniumnitrat er til stede i mange sprængstoffer og er kendt for gradvist at nedbryde og frigive spormængder af ammoniak. Som resultat, ammoniakdetektorer bruges ofte til at teste for tilstedeværelsen af ​​et eksplosivt stof. En giftig gas, ammoniak bruges også i en række industrielle og medicinske processer, for hvilke detektorer er nødvendige for at overvåge for utætheder.

Resultaterne af undersøgelsen viser, at den nye grafenskumstruktur påviste ammoniak ved 1, 000 dele pr. million på 5 til 10 minutter ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk. Den medfølgende ændring i grafenens elektriske modstand var omkring 30 procent. Dette sammenlignet positivt med kommercielt tilgængelige ledende polymersensorer, som gennemgår en modstandsændring på 30 procent på 5 til 10 minutter, når de udsættes for 10, 000 ppm ammoniak. I samme tidsramme og med samme ændring i modstand, grafenskumdetektoren var 10 gange så følsom. Grafenskumdetektorens følsomhed er effektiv ned til 20 dele pr. meget lavere end de kommercielt tilgængelige enheder. Derudover mange af de kommercielt tilgængelige enheder kræver et højt strømforbrug, da de kun giver tilstrækkelig følsomhed ved høje temperaturer, hvorimod grafenskumdetektoren fungerer ved stuetemperatur.

Koratkars team brugte nitrogendioxid som den anden testgas. Forskellige sprængstoffer, herunder nitrocellulose, nedbrydes gradvist, og er kendt for at producere nitrogendioxidgas som et biprodukt. Som resultat, nitrogendioxid bruges også som markør, når der testes for sprængstoffer. Derudover nitrogendioxid er et almindeligt forurenende stof, der findes i forbrænding og bilemissioner. Mange forskellige miljøovervågningssystemer har real-time nitrogendioxiddetektion.

Den nye grafenskumsensor registrerede nitrogendioxid ved 100 dele pr. million ved en 10 procents modstandsændring på 5 til 10 minutter ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk. Det viste sig at være 10 gange mere følsomt end kommercielle ledende polymersensorer, som typisk detekterer nitrogendioxid ved 1, 000 part-per-million på samme tid og med samme modstandsevne ved stuetemperatur. Andre nitrogendioxiddetektorer, der er tilgængelige i dag, kræver et højt strømforbrug og høje temperaturer for at give tilstrækkelig følsomhed. Grafenskumsensoren kan registrere nitrogendioxid ned til 20 dele pr. million ved stuetemperatur.

"Vi ser dette som den første praktiske nanostruktur-baserede gasdetektor, der er levedygtig for kommercialisering, " sagde Koratkar, professor ved Institut for Mekanik, Luftfart, og Nuklear Engineering hos Rensselaer. "Vores resultater viser, at grafenskummet er i stand til at detektere ammoniak og nitrogendioxid i en koncentration, der er en størrelsesorden lavere end kommercielle gasdetektorer på markedet i dag."

Grafenskummet kan konstrueres til at detektere mange forskellige gasser ud over ammoniak og nitrogendioxid, han sagde.

Undersøgelser har vist den elektriske ledningsevne af et individuelt nanorør, nanotråd, eller grafenplade er akut følsom over for gasadsorbtion. Men den lille størrelse af individuelle nanostrukturer gjorde det dyrt og udfordrende at udvikle sig til en enhed, Desuden er strukturerne sarte og giver ofte ikke konsistente resultater.

Den nye grafenskumgassensor overvinder disse udfordringer. Den er nem at håndtere og manipulere på grund af dens store, makroskala størrelse. Sensoren er også fleksibel, robust, og robust nok til at håndtere slitage inde i en enhed. Plus den er fuldt vendbar, og de resultater, det giver, er konsistente og gentagelige. Mest vigtige, grafenskummet er meget følsomt, takket være dens 3-D, porøs struktur, der tillader gasser nemt at adsorbere til dets enorme overfladeareal. På trods af sin store størrelse, grafenskumstrukturen fungerer i det væsentlige som en enkelt nanostruktur. Der er ingen brud i grafen-netværket, hvilket betyder, at der ikke er nogen grænseflader at overvinde, og elektroner flyder frit med lille modstand. Dette øger skummets følsomhed over for gasser.

"På en måde har vi overvundet akilleshælen inden for nanoteknologi til kemisk sansning, " sagde Koratkar. "En enkelt nanostruktur fungerer godt, men betyder ikke meget, når det anvendes i en rigtig enhed i den virkelige verden. Når du prøver at skalere det op til makroskala proportioner, grænsefladerne besejrer det, du forsøger at opnå, da nanostrukturens egenskaber er domineret af grænseflader. Nu er vi i stand til at opskalere grafen på en måde, så grænsefladerne ikke er til stede. Dette giver os mulighed for at drage fordel af nanostrukturens iboende egenskaber, men arbejder med en makroskopisk struktur, der giver os repeterbarhed, pålidelighed, og robusthed, men viser lignende følsomhed over for gasadsorbtion som en enkelt nanostruktur."