Polymeercoating verlengt de halve levensduur van op MXene gebaseerde luchtkwaliteitssensor met 200% en maakt regeneratie mogelijk

Reinigingsproducten, kaarsen, wieg en cosmetica zijn slechts enkele van de gemeenschappelijke huishoudelijke artikelen die formaldehyde uitzenden, een kleurloze, geurloze chemische stof die, wanneer aanwezig in de lucht op niveaus hoger dan 0,1 delen per miljoen, een risico is gebleken voor de menselijke gezondheid.

Om binnenluchtkwaliteit toe toegankelijker te maken, hebben onderzoekers van Carnegie Mellon University een lage kosten, langdurige, indoor formaldehyde sensor ontwikkeld. Een unieke polymeercoating op de op MXene gebaseerde sensor verlengt niet alleen zijn halve levensduur met 200%, maar maakt het ook in staat om te regenereren wanneer de prestaties beginnen af ​​te breken.

Mxene is een klasse van verbindingen die veelbelovend heeft getoond in energieopslag en gasdetectie vanwege zijn superieure elektrische eigenschappen en veelzijdige oppervlaktechemie. Ondanks deze voordelen is bekend dat MXenen zeer gevoelig zijn voor oxidatie, met name wanneer ze worden blootgesteld aan lucht en/of vochtigheid, waardoor een grote uitdaging is voor op MXene gebaseerde luchtkwaliteitsmonitors.

Nieuw onderzoek gepubliceerd deze week in De wetenschap vordertoverwint deze uitdaging door het mxene in te kappen in een polymeercoating. Met behulp van chemische dampafzetting, een materiaalverwerkingstechniek die fundamenteel is voor de productie van elektronica, pompt het onderzoeksteam onder leiding van Reeja Jayan, professor werktuigbouwkunde, verdampt voorlopermaterialen in een vacuümkamer met de MXene -sensor. De hete gassen polymeriseren en vormen een nano-coating op de koude sensor op een manier vergelijkbaar met hoe condensatie de buitenkant van een ijskoud drinkglas op een warme dag bedekt.

Zonder de polymeercoating duurde de Mxene -sensor iets meer dan twee maanden, maar toen de polymeerlaag werd aangebracht, liep de sensor meer dan vijf maanden.

Shwetha Sunil Kumar, de eerste auteur van het onderzoekspaper en Ph.D. Kandidaat in werktuigbouwkunde, merkte iets onverwachts op tijdens de observatieperiode.

“We vonden dat onze polymeerlaag ook een chemische reactie mogelijk maakte waardoor de sensor lagere niveaus van formaldehyde in de lucht kon detecteren. Omdat een nieuw molecuul vormde om de sensor gevoeliger te maken, begonnen we ons af te vragen of het inschakelen van het creëren van meer van die moleculen wanneer de sensorprestaties beginnen te helpen, de sensor te helpen,” verklaarde Kumar. “

En ja hoor, het team ontdekte dat door de vochtigheid in de sensor aan het einde van zijn leven te introduceren, het ongeveer 90% van zijn detectievermogen herwon.

“De polymeerlagen die we gesynthetiseerden zijn diëlektrisch en zeer isolerend, als effectieve structurele barrières,” legde Jayan uit. “Dat maakt onze sensoren zowel stabiel als duurzaam.”

Simulaties gerund door Jerry Wang, universitair docent burgerlijke en milieutechniek, bewezen verder de effectiviteit van de sensoren. Door te testen hoe snel grote hoeveelheden verschillende moleculen door de laag konden bewegen, bevestigde het team dat de polymeerlaag snel zuurstof en vochtpermeatie vertraagt.

Jayan is ervan overtuigd dat deze materialen op andere apparaten kunnen worden ingezet om de levensduur en prestaties te verbeteren. Ze ontwikkelt zich momenteel Soortgelijke technologie om de levensduur en veiligheid van batterijen te verlengen.

Albert Presto, directeur van het Centre for Atmospheric-deeltjesstudies bij CMU en co-auteur van het artikel, is van mening dat deze technologie binnenluchtkwaliteitssensoren veelzijdiger kan maken. De sensor is gemakkelijk gekoppeld aan mobiele telefoons of smart home -apparaten, en met voortdurende ontwikkeling gelooft hij dat sensoren op een dag op onze muren kunnen worden geschilderd of in onze kleding kunnen worden genaaid voor consistente monitoring.

“Binnenluchtkwaliteit wordt vaak over het hoofd gezien,” zei hij. “We leven in een plastic zware wereld en dat heeft implicaties. We willen mensen beter opleiden van binnenverontreinigende stoffen, zodat ze weloverwogen beslissingen kunnen nemen. Alleen dan kunnen we de luchtkwaliteit binnen de indoor verbeteren en de inherente gezondheidsrisico’s elimineren.”