Pubblicato su International Journal of Extreme Manufacturing , il team del Prof. Zhang dell'Harbin Institute of Technology ha introdotto in modo completo l'utilizzo di catalizzatori a singolo atomo nel campo del rilevamento dei gas, proponendo una nuova strategia per migliorare ulteriormente le prestazioni dei sensori di gas.

Questa recensione discute principalmente l'applicazione di catalizzatori a singolo atomo nel campo del rilevamento del gas. Nello specifico, riassume la struttura e i principi dei sensori di gas basati su semiconduttori ed esamina i metodi più recenti per preparare catalizzatori a singolo atomo.

Analizza inoltre i meccanismi attraverso i quali i catalizzatori a singolo atomo migliorano la sensibilità al gas da due prospettive, fornendo una panoramica dettagliata delle prestazioni dei catalizzatori a singolo atomo nel rilevamento del gas.

I catalizzatori a singolo atomo mostrano eccellenti prestazioni catalitiche grazie al loro eccezionale utilizzo atomico e alle proprietà fisico-chimiche uniche. Questa caratteristica li posiziona come candidati competitivi per i materiali sensibili ai gas, poiché la funzione principale dei sensori di gas si basa sul processo catalitico delle molecole di gas target sul materiale sensibile.

Il principio della maggior parte dei sensori di gas si basa sulla reazione delle molecole di gas con l'ossigeno chemisorbito sulla superficie del materiale da rilevare. Questa reazione altera il numero di portatori di carica all'interno della banda di conduzione del materiale sensibile, inducendo così un cambiamento nella resistenza del materiale.

Secondo i risultati della ricerca, l'interazione tra singoli atomi e molecole di gas può favorire reazioni di gas sulla superficie di materiali sensibili. Inoltre, le strutture eterogenee formate all'interno dei materiali sensibili possono facilitare in modo significativo il trasferimento di elettroni all'interno del materiale di rilevamento. Di conseguenza, i sensori di gas basati su catalizzatori a singolo atomo possono raggiungere una sensibilità maggiore e tempi di risposta più brevi.

Attualmente, i metodi di sintesi per catalizzatori a singolo atomo includono impregnazione, coprecipitazione, pirolisi one-pot, deposizione di strati atomici, metodi con modelli sacrificali, metodi derivati ​​da strutture metallo-organiche (MOF), ecc.

Tuttavia, i singoli atomi tendono ad aggregarsi in cluster sia durante i processi di sintesi che durante i processi di utilizzo. Per sintetizzare catalizzatori a singolo atomo con carico e stabilità elevati, è necessario migliorare l'interazione tra singoli atomi e supporti modificando, tra gli altri metodi, l'ambiente di coordinazione dei singoli atomi.

Inoltre, la selezione dei materiali sensibili ai gas per un gas specifico si basa su risultati sperimentali e manca di una guida teorica. Lo studio dei meccanismi mediante i quali i singoli atomi migliorano le prestazioni di rilevamento del gas può facilitare la comprensione dei siti attivi, stabilendo così una base teorica per la progettazione razionale di materiali sensibili ai gas.

Essendo un materiale sensibile ai gas, i catalizzatori a singolo atomo possiedono i vantaggi di bassi limiti di rilevamento e elevata selettività, che li rendono un materiale promettente con ampie prospettive di applicazione. Si prevede che forniranno contributi significativi per migliorare ulteriormente la sensibilità e la selettività dei sensori di gas.

Inoltre, è molto probabile che facilitino lo sviluppo di sensori di gas ad alte prestazioni che operano in ambienti speciali come condizioni di bassa temperatura, bassa pressione e assenza di ossigeno.