Imagen representativa de este artículo publicado en ACS Nano el 26 de septiembre. Crédito:KAIST
Un equipo de KAIST fabricó un sensor de hidrógeno ultrarrápido que puede detectar niveles de gas hidrógeno por debajo del 1% en menos de siete segundos. El sensor también puede detectar cientos de partes por millón de niveles de gas hidrógeno en 60 segundos a temperatura ambiente.
Un grupo de investigación dirigido por el profesor Il-Doo Kim en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de KAIST, en colaboración con el profesor Reginald M. Penner de la Universidad de California-Irvine, ha desarrollado un sistema ultrarrápido de detección de gas hidrógeno basado en una matriz de nanocables de paladio (Pd) recubierta con una estructura organometálica (MOF).
El hidrógeno se ha considerado una fuente de energía de próxima generación ecológica. Sin embargo, es un gas inflamable que puede explotar incluso con una pequeña chispa. Por seguridad, el límite inferior de explosión para el gas hidrógeno es 4% en volumen, por lo que los sensores deberían poder detectar rápidamente la molécula de hidrógeno incolora e inodoro. La importancia de los sensores capaces de detectar rápidamente hidrógeno gaseoso incoloro e inodoro se ha enfatizado en directrices recientes emitidas por el Departamento de Energía de EE. UU. Según las pautas, Los sensores de hidrógeno deben detectar 1% en volumen de hidrógeno en el aire en menos de 60 segundos para obtener tiempos de respuesta y recuperación adecuados.
Para superar las limitaciones de los sensores de hidrógeno basados en Pd, el equipo de investigación introdujo una capa MOF encima de una matriz de nanocables de Pd. Los nanocables de Pd modelados litográficamente se recubrieron simplemente con una capa de estructura de imidazol de zeolita basada en Zn (ZIF-8) compuesta de iones de Zn y ligandos orgánicos. La película de ZIF-8 se recubre fácilmente sobre los nanocables de Pd mediante una simple inmersión (durante 2-6 horas) en una solución de metanol que incluye Zn (NO3) 2 · 6H2O y 2-metilimidazol.
Imágenes de sensores de hidrógeno basados en matrices de nanocables de Pd, Imagen de microscopía electrónica de barrido de un nanoalambre de Pd cubierto por una capa de estructura organometálica, y las propiedades de detección de hidrógeno de los sensores. Crédito:KAIST
Tal como se sintetizó, el ZIF-8 es un material altamente poroso compuesto por una serie de microporos de 0,34 nm y 1,16 nm, El gas hidrógeno con un diámetro cinético de 0.289 nm puede penetrar fácilmente dentro de la membrana ZIF-8, mientras que las moléculas grandes (> 0,34 nm) se detectan eficazmente mediante el filtro MOF. Por lo tanto, el filtro ZIF-8 en los nanocables de Pd permite la penetración predominante de moléculas de hidrógeno, lo que lleva a la aceleración de los sensores de H2 basados en Pd con una recuperación y una velocidad de respuesta 20 veces más rápidas en comparación con los nanocables de Pd prístinos a temperatura ambiente.
El profesor Kim espera que el sensor de hidrógeno ultrarrápido pueda ser útil para la prevención de accidentes de explosión causados por fugas de gas hidrógeno. Además, espera que otros gases nocivos en el aire puedan detectarse con precisión mediante una nanofiltración eficaz mediante el uso de una variedad de capas de MOF.
Ilustración esquemática de una estructura organometálica (MOF). El MOF, que consta de iones metálicos y ligandos orgánicos, es un material muy poroso con una superficie ultra alta. Las diversas estructuras de MOF se pueden sintetizar dependiendo de los tipos de iones metálicos y ligandos orgánicos. Crédito:KAIST
Este estudio fue realizado por Ph.D. candidato Won-Tae Koo (primer autor), Profesor Kim (coautor correspondiente), y el profesor Penner (coautor correspondiente). El estudio ha sido publicado en la edición en línea de Materiales e interfaces aplicados de ACS , como imagen de portada de la edición de septiembre.
