Combustibile a gas idrogeno, pur essendo la speranza per un futuro più pulito, è anche noto per essere altamente esplosivo, rendendo necessario lo sviluppo di rivelatori di gas idrogeno sensibili. Credito:Unsplash
Negli ultimi anni, idrogeno (H 2 ) è emersa come la migliore opzione per l'energia pulita nella nostra ricerca di un combustibile alternativo per mitigare i problemi ambientali come il riscaldamento globale. Acclamato come "batterie del futuro, ' H 2 le celle a combustibile sono propagandate come il combustibile per la generazione futura. Anche se tutto questo va bene, c'è un grosso problema con H 2 :come ogni altro gasolio, è altamente esplosivo. Una scintilla minore può provocare un'esplosione in presenza di un minimo del 4% di H 2 trapelato in aria, come accaduto nel maggio 2019 a Gangneung, Corea, e giugno dello stesso anno presso la stazione di rifornimento Uno-X in Norvegia. Perciò, la sicurezza è una delle principali preoccupazioni con la gestione di H 2 gas; questo garantisce il rilevamento anche del più piccolo H 2 perdite per evitare incidenti.
Mentre i rivelatori per H 2 perdite sono disponibili, richiedono alte temperature per funzionare (come i sensori di gas a semiconduttore a ossido di metallo) che li rendono costosi, di breve durata, e pericoloso da utilizzare per il rilevamento di un gas esplosivo o infiammabile. Soffrono anche di una bassa sensibilità a causa della mancanza di siti attivi sufficienti per il rilevamento del gas (come i "nanosheets" di ossido di zinco [ZnO]). Scienziati, perciò, sono stati impegnati nello sviluppo di sensori in grado di superare queste limitazioni.
In un nuovo studio pubblicato su Sensori e attuatori:B. Chemical , un team di scienziati della Incheon National University, Corea, hanno escogitato una nuova temperatura ambiente H 2 design del sensore che utilizza fogli bidimensionali nanometrici di ossido di zinco riempiti con fori di dimensioni nanometriche, giustamente chiamato "nanofogli bucati 2-D". "I normali nanofogli di ZnO hanno una bassa sensibilità a causa del riposizionamento automatico che blocca i siti attivi per il rilevamento del gas. I nanofogli Holey 2-D aggirano questo problema con i fori che aprono le superfici attive bloccate, " spiega il dottor Manjeet Kumar, che ha condotto lo studio.
I nanosheet di ZnO sono stati trattati termicamente a tre diverse temperature (400, 600, e 800°C) per regolare la densità dei fori. La densità del foro si riduceva costantemente all'aumentare della temperatura da 400°C a 800°C. Credito:Manjeet Kumar, Università Nazionale di Incheon
Gli scienziati hanno trattato termicamente nanosheet di ZnO a tre diverse temperature (400°C, 600°C, e 800°C) per regolare la loro densità dei fori, fabbricato H 2 dispositivi sensore da questi campioni, e hanno registrato la loro risposta a diversi livelli di H 2 e altri gas a una concentrazione di gas di 100 ppm (parti per milione) a temperatura ambiente. Il team ha anche studiato la validità della teoria della metallizzazione, il che suggerisce che il meccanismo di rilevamento sottostante è dovuto a una transizione da semiconduttore a metallo, in cui ZnO viene ridotto a Zn metallo sotto esposizione a H 2 gas.
Hanno scoperto che il nanosheet di ZnO trattato a 400°C (ZnO@400), con il numero massimo di fori, ha mostrato la risposta più alta verso 100 ppm di H 2 , insieme al tempo di risposta più veloce di ~9 s. Per di più, ZnO@400 ha anche mostrato un'elevata ripetibilità e stabilità di circa il 97-99% dopo 45 giorni. Finalmente, hanno trovato l'evidenza sperimentale a sostegno della teoria della metallizzazione.
Questi risultati suggeriscono fortemente che i nanosheet di ZnO bucati 2-D possiedono notevoli proprietà fisico/chimiche che possono potenzialmente rivoluzionare le prestazioni di rilevamento dei gas in futuro. Il dottor Kumar suppone, "Temperatura ambiente H 2 i sensori giocheranno un ruolo chiave nella tecnologia futura, soprattutto con l'emergere di Internet of Things. I nostri buchi sensori 2-D basati su ZnO consentiranno l'implementazione di innovativi H 2 dispositivi di rilevamento in grado di rilevare tempestivamente perdite di gas e integrabili con smartphone e smartwatch, "
Con la prospettiva di un luminoso H 2 -powered futuro davanti a noi, questa tecnologia fa molto per garantire un percorso sicuro verso la realizzazione di questa visione.
