Immagine rappresentativa di questo articolo pubblicato su ACS Nano il 26 settembre. Credito:KAIST
Un team KAIST ha realizzato un sensore di idrogeno ultraveloce in grado di rilevare livelli di gas idrogeno inferiori all'1% in meno di sette secondi. Il sensore può anche rilevare centinaia di parti per milione di livelli di gas idrogeno entro 60 secondi a temperatura ambiente.
Un gruppo di ricerca guidato dal Professor Il-Doo Kim nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del KAIST, in collaborazione con il Professor Reginald M. Penner dell'Università della California-Irvine, ha sviluppato un sistema di rilevamento del gas idrogeno ultraveloce basato su un array di nanofili di palladio (Pd) rivestito con una struttura metallo-organica (MOF).
L'idrogeno è stato considerato una fonte di energia ecologica di nuova generazione. Però, è un gas infiammabile che può esplodere anche con una piccola scintilla. Per sicurezza, il limite di esplosione inferiore per il gas idrogeno è del 4% vol, quindi i sensori dovrebbero essere in grado di rilevare rapidamente la molecola di idrogeno incolore e inodore. L'importanza di sensori in grado di rilevare rapidamente gas idrogeno incolore e inodore è stata sottolineata nelle recenti linee guida emesse dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Secondo le linee guida, i sensori di idrogeno dovrebbero rilevare 1 vol% di idrogeno nell'aria in meno di 60 secondi per tempi di risposta e recupero adeguati.
Per superare i limiti dei sensori di idrogeno a base di Pd, il team di ricerca ha introdotto uno strato MOF sopra un array di nanofili di Pd. I nanofili di Pd modellati litograficamente sono stati semplicemente ricoperti con uno strato di struttura imidazolo di zeolite a base di Zn (ZIF-8) composto da ioni Zn e ligandi organici. Il film ZIF-8 viene facilmente rivestito su nanofili di Pd mediante semplice immersione (per 2-6 ore) in una soluzione di metanolo comprendente Zn (NO3)2·6H2O e 2-metilimidazolo.
Immagini di sensori di idrogeno basati su array di nanofili Pd, immagine al microscopio elettronico a scansione di un nanofilo di Pd coperto da uno strato di struttura metallo-organica, e le proprietà di rilevamento dell'idrogeno dei sensori. Attestazione:KAIST
Come sintetizzato ZIF-8 è un materiale altamente poroso composto da un numero di micropori di 0,34 nm e 1,16 nm, il gas idrogeno con un diametro cinetico di 0,289 nm può facilmente penetrare all'interno della membrana ZIF-8, mentre grandi molecole (> 0,34 nm) sono effettivamente schermati dal filtro MOF. Così, il filtro ZIF-8 sui nanofili di Pd permette la penetrazione predominante delle molecole di idrogeno, portando all'accelerazione dei sensori H2 basati su Pd con un recupero e una velocità di risposta 20 volte più rapidi rispetto ai nanofili di Pd incontaminati a temperatura ambiente.
Il professor Kim si aspetta che il sensore di idrogeno ultraveloce possa essere utile per la prevenzione di incidenti esplosivi causati dalla fuoriuscita di gas idrogeno. Inoltre, si aspetta che altri gas nocivi nell'aria possano essere rilevati con precisione attraverso un'efficace nanofiltrazione utilizzando una varietà di strati MOF.
Illustrazione schematica di una struttura metallo-organica (MOF). Il MOF, costituito da ioni metallici e ligandi organici, è un materiale altamente poroso con un'area superficiale ultraelevata. Le varie strutture dei MOF possono essere sintetizzate a seconda dei tipi di ioni metallici e ligandi organici. Attestazione:KAIST
Questo studio è stato condotto dal Ph.D. candidato Won-Tae Koo (primo autore), Professor Kim (autore corrispondente), e il professor Penner (autore corrispondente). Lo studio è stato pubblicato nell'edizione online di Materiali e interfacce applicati ACS , come immagine di copertina del numero di settembre.
