Nieuwe toxische gassensor verbetert de limiet voor detectie van stikstofdioxide

Onderzoekers van het Korea Research Institute of Standards and Science hebben een sensor voor giftig gas ontwikkeld met de hoogste gevoeligheid ter wereld. Deze sensor kan stikstofdioxide (NO₂), een giftig gas in de atmosfeer, bij kamertemperatuur met een laag energieverbruik en ultrahoge gevoeligheid. Het kan op diverse gebieden worden toegepast, zoals de detectie van restgassen tijdens het productieproces van halfgeleiders en onderzoek naar elektrolysekatalysatoren.

NEE₂, geproduceerd door de verbranding van fossiele brandstoffen bij hoge temperaturen en voornamelijk uitgestoten via uitlaatgassen van auto’s of fabrieksrook, draagt ​​bij aan een toename van de sterfte als gevolg van luchtvervuiling. In Zuid-Korea is de jaarlijkse gemiddelde concentratie van NO₂ in de lucht wordt bij presidentieel decreet geregeld op 30 ppb of lager. Er zijn daarom zeer gevoelige sensoren nodig om gassen bij extreem lage concentraties nauwkeurig te detecteren.

De laatste tijd is het gebruik van giftige gassen die potentieel dodelijk zijn voor mensen toegenomen als gevolg van de ontwikkeling van hightechindustrieën, waaronder de productie van halfgeleiders. Hoewel sommige laboratoria en fabrieken voor de veiligheid halfgeleidersensoren hebben gebruikt, ligt de uitdaging in hun lage responsgevoeligheid, waardoor ze niet in staat zijn giftige gassen te detecteren die zelfs voor de menselijke neus waarneembaar zijn. Om de gevoeligheid te vergroten verbruiken ze uiteindelijk veel energie omdat ze bij hoge temperaturen moeten werken.

De nieuw ontwikkelde sensor, een sensor voor giftige gassen van het halfgeleidertype van de volgende generatie, gebaseerd op geavanceerde materialen, vertoont aanzienlijk verbeterde prestaties en bruikbaarheid in vergelijking met conventionele sensoren. Dankzij zijn uitstekende gevoeligheid voor chemische reacties kan de nieuwe sensor NO detecteren₂ veel gevoeliger dan eerder gerapporteerde halfgeleidersensoren, een gevoeligheid die 60 keer hoger is. Bovendien verbruikt de nieuwe sensor bij kamertemperatuur minimaal stroom, en maakt het optimale halfgeleiderproductieproces synthese over grote oppervlakken bij lage temperaturen mogelijk, waardoor de fabricagekosten worden verlaagd.

De sleutel tot de technologie ligt in de MoS₂ nanobranchemateriaal ontwikkeld door KRISS. In tegenstelling tot de conventionele 2D-platte structuur van MoS₂wordt dit materiaal gesynthetiseerd in een 3D-structuur die lijkt op boomtakken, waardoor de gevoeligheid wordt vergroot. Naast de kracht van uniforme materiaalsynthese op een groot oppervlak, kan het een 3D-structuur creëren door de koolstofverhouding in de grondstof aan te passen zonder extra processen.

Het KRISS Semiconductor Integrated Metrology Team heeft experimenteel aangetoond dat hun gassensor NO kan detecteren₂ in de atmosfeer bij concentraties zo laag als 5 ppb. De berekende detectielimiet van de sensor is 1,58 ppt, wat het hoogste gevoeligheidsniveau ter wereld markeert.

Deze prestatie maakt nauwkeurige monitoring van NO mogelijk₂ in de atmosfeer met een laag stroomverbruik. De sensor bespaart niet alleen tijd en kosten, maar biedt ook een uitstekende resolutie. Er wordt verwacht dat het zal bijdragen aan onderzoek naar het verbeteren van de atmosferische omstandigheden door het detecteren van de jaargemiddelde concentraties NO₂ en het monitoren van realtime veranderingen.

Een ander kenmerk van deze technologie is het vermogen om het koolstofgehalte in de grondstof tijdens de materiaalsynthesefase aan te passen, waardoor de elektrochemische eigenschappen veranderen. Dit kan worden gebruikt om sensoren te ontwikkelen die andere gassen dan NO kunnen detecteren₂, zoals restgassen die worden geproduceerd tijdens de productieprocessen van halfgeleiders. De uitstekende chemische reactiviteit van het materiaal kan ook worden benut om de prestaties van elektrolysekatalysatoren voor de productie van waterstof te verbeteren.

Dr. Jihun Mun, een senior onderzoeker van het KRISS Semiconductor Integrated Metrology Team, zei: “Deze technologie, die de beperkingen van conventionele gassensoren overwint, zal niet alleen voldoen aan de overheidsvoorschriften, maar ook nauwkeurige monitoring van de binnenlandse atmosferische omstandigheden vergemakkelijken. We zullen doorgaan vervolgonderzoek zodat deze technologie toegepast kan worden bij de ontwikkeling van diverse toxische gassensoren en katalysatoren, die verder gaan dan de monitoring van NO₂ in de atmosfeer.”