Op jacht naar verborgen waterstof: nieuwe nanobladen met gaten voor het detecteren van waterstofgaslekken

In de afgelopen jaren is waterstof (H.₂) is naar voren gekomen als de beste optie voor schone energie in ons streven naar een alternatieve brandstof om milieuproblemen zoals de opwarming van de aarde te verminderen. Geprezen als ‘batterijen van de toekomst’, H.₂ brandstofcellen worden aangeprezen als de brandstof voor de toekomstige generatie. Hoewel dit allemaal goed en wel is, is er één groot probleem met H₂: net als elke andere gasbrandstof is het zeer explosief. Een kleine vonk kan een explosie veroorzaken in aanwezigheid van slechts 4% van H.₂ lekte in de lucht, zoals gebeurde in mei 2019 in Gangneung, Korea, en juni van hetzelfde jaar bij het Uno-X-tankstation in Noorwegen. Daarom is veiligheid een belangrijk punt van zorg bij het omgaan met H.₂ gas; dit garandeert de detectie van zelfs de kleinste H₂ lekken om ongelukken te voorkomen.

Terwijl detectoren voor H₂ lekken zijn beschikbaar, ze vereisen hoge temperaturen om te werken (zoals de op metaaloxide halfgeleider gebaseerde gassensoren) waardoor ze duur, van korte duur en gevaarlijk zijn in het gebruik voor het detecteren van een explosief of ontvlambaar gas. Ze hebben ook een lage gevoeligheid vanwege een gebrek aan voldoende actieve locaties voor gasdetectie (zoals zinkoxide [ZnO] “nanosheets”). Wetenschappers zijn daarom druk bezig geweest met het ontwikkelen van sensoren die deze beperkingen kunnen overwinnen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Sensoren en actuatoren: B. Chemisch, heeft een team van wetenschappers van de Incheon National University, Korea, een nieuwe kamertemperatuur H bedacht₂ sensorontwerp dat gebruik maakt van nanometerdunne 2D-vellen zinkoxide gevuld met nanometergaten, toepasselijk ‘holey 2-D nanosheets’ genoemd. “Gewone ZnO-nanobladen hebben een lage gevoeligheid vanwege zelfherstapeling die de actieve locaties voor gasdetectie blokkeert. Gegraveerde 2-D nanobladen omzeilen dit probleem doordat de gaten geblokkeerde actieve oppervlakken openen”, legt Dr. Manjeet Kumar uit, die het onderzoek leidde. .

De wetenschappers behandelden ZnO-nanobladen thermisch bij drie verschillende temperaturen (400 ° C, 600 ° C en 800 ° C) om hun gatdichtheid af te stemmen, gefabriceerd H₂ sensorapparaten van deze monsters, en registreerden hun respons op verschillende niveaus van H.₂ en andere gassen bij een gasconcentratie van 100 ppm (delen per miljoen) bij kamertemperatuur. Het team onderzocht ook de validiteit van de metallisatietheorie, wat suggereert dat het onderliggende detectiemechanisme te wijten is aan een halfgeleider-naar-metaalovergang, waarbij ZnO wordt gereduceerd tot Zn-metaal onder blootstelling aan H₂ gas.

Ze ontdekten dat het ZnO-nanoblad behandeld bij 400 ° C (ZnO @ 400), met het maximale aantal gaten, de hoogste respons vertoonde in de richting van 100 ppm H₂, samen met de snelste reactietijd van ~ 9 s. Verder vertoonde ZnO @ 400 ook een hoge herhaalbaarheid en stabiliteit van ongeveer 97-99% na 45 dagen. Ten slotte vonden ze het experimentele bewijs ter ondersteuning van de metallisatietheorie.

Deze resultaten suggereren sterk dat ZnO-nanobladen met 2-D-gaten met gaten opmerkelijke fysische / chemische eigenschappen bezitten die mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in de gasdetectieprestaties in de toekomst. Dr. Kumar vermoedt: “Kamertemperatuur H₂ sensoren zullen een sleutelrol spelen in toekomstige technologie, vooral met de opkomst van Internet of Things. Onze 2-D op ZnO gebaseerde sensoren met gaten zullen de implementatie van innovatieve H.₂ detectieapparaten die gaslekken in een vroeg stadium kunnen detecteren en kunnen worden geïntegreerd met smartphones en smartwatches, “

Met het vooruitzicht op een heldere H₂-gestuurde toekomst die voor ons ligt, deze technologie zorgt voor een lange weg om deze visie te realiseren.