På jagt efter skjult brint:Nye hullede nanoark til at opdage brintgaslækager

I de seneste år, hydrogen (H ₂ ) har vist sig som den bedste mulighed for ren energi i vores jagt på et alternativt brændstof til at afbøde miljøproblemer såsom global opvarmning. Hyldet som 'fremtidens batterier, 'H ₂ brændselsceller er udråbt som brændstof for den fremtidige generation. Selvom det hele er godt og godt, der er et stort problem med H ₂ :som alt andet gasbrændstof, det er meget eksplosivt. En mindre gnist kan udløse en eksplosion i nærværelse af så lavt som 4 % af H ₂ lækket ud i luften, som det skete i maj 2019 i Gangneung, Korea, og juni samme år på Uno-X tankstationen i Norge. Derfor, sikkerhed er et stort problem ved håndtering af H ₂ gas; dette garanterer sansning af selv den mindste H ₂ lækager for at undgå ulykker.

Mens detektorer til H ₂ lækager er tilgængelige, de kræver høje temperaturer for at fungere (såsom de metaloxid-halvlederbaserede gassensorer), hvilket gør dem dyre, kortvarig, og farlig at bruge til påvisning af en eksplosiv eller brændbar gas. De lider også af lav følsomhed på grund af mangel på nok aktive steder til gasdetektion (såsom zinkoxid [ZnO] "nanoark"). Videnskabsmænd, derfor, har haft travlt med at udvikle sensorer, der kan overvinde disse begrænsninger.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Sensorer og aktuatorer:B. Kemisk , et team af forskere fra Incheon National University, Korea, er kommet med en ny stuetemperatur H ₂ sensordesign, der gør brug af nanometertynde 2D-plader af zinkoxid fyldt med huller i nanometerstørrelse, passende navngivet 'holey 2-D nanosheets'. "Almindelige ZnO nanosheets har lav følsomhed på grund af selv-genstabling, der blokerer de aktive steder for gasdetektion. Holey 2-D nanosheets omgår dette problem med hullerne, der åbner blokerede aktive overflader, " forklarer Dr. Manjeet Kumar, der ledede undersøgelsen.

Forskerne termisk behandlede ZnO nanoplader ved tre forskellige temperaturer (400°C, 600°C, og 800°C) for at justere deres huldensitet, fremstillet H ₂ sensorenheder fra disse prøver, og registrerede deres respons på forskellige niveauer af H ₂ og andre gasser ved 100 ppm (parts per million) gaskoncentration ved stuetemperatur. Holdet undersøgte også gyldigheden af ​​metalliseringsteorien, hvilket tyder på, at den underliggende følemekanisme skyldes en halvleder-til-metal-overgang, hvor ZnO bliver reduceret til Zn-metal under eksponering for H ₂ gas.

De fandt ud af, at ZnO nanopladen blev behandlet ved 400°C (ZnO@400), med det maksimale antal huller, viste den højeste respons mod 100 ppm af H ₂ , sammen med den hurtigste responstid på ~9 s. Desuden, ZnO@400 viste også høj repeterbarhed og stabilitet på ca. 97-99% efter 45 dage. Endelig, de fandt de eksperimentelle beviser til støtte for metalliseringsteorien.

Disse resultater tyder stærkt på, at 2-D holey ZnO nanoplader besidder bemærkelsesværdige fysiske/kemiske egenskaber, der potentielt kan revolutionere gassensing ydeevne i fremtiden. Dr. Kumar antager, "Rumtemperatur H ₂ sensorer vil spille en nøglerolle i fremtidens teknologi, især med fremkomsten af ​​Internet of Things. Vores hullede 2-D ZnO-baserede sensorer vil muliggøre implementering af innovative H ₂ detektionsenheder, der kan opdage gaslækage på et tidligt tidspunkt og kan integreres med smartphones og smartwatches, "

Med udsigt til et lyst H ₂ - en fremtid foran os, denne teknologi går langt i at sikre en sikker vej til at realisere denne vision.