Forscher entwickeln Detektor zur kontinuierlichen Überwachung giftiger Gase
Das Material könnte als dünne Beschichtung hergestellt werden, um die Luftqualität in industriellen oder häuslichen Umgebungen im Laufe der Zeit zu analysieren
Die meisten Systeme zur Erkennung giftiger Gase in Industrie und Haushalt können nur einmal oder bestenfalls einige Male eingesetzt werden. Nun haben Forscher am MIT einen Detektor entwickelt, der eine kontinuierliche Überwachung des Vorhandenseins dieser Gase zu geringen Kosten ermöglichen könnte.
Forscher des MIT haben einen Detektor entwickelt, der eine kontinuierliche Überwachung des Vorhandenseins giftiger Gase zu geringen Kosten ermöglichen könnte. Das Team verwendete ein Material, das als metallorganisches Gerüst (MOF) bezeichnet wird (im Bild als schwarzes Gitter). Dieses Material ist sehr empfindlich gegenüber winzigen Gasspuren, dessen Leistung jedoch schnell nachlässt.
Aristide Gumyusenge et al
Das neue System kombiniert zwei bestehende Technologien und bringt sie so zusammen, dass die Vorteile beider Technologien erhalten bleiben, während ihre Einschränkungen vermieden werden. Das Team verwendete ein so genanntes metallorganisches Gerüst (MOF), das sehr empfindlich auf winzige Gasspuren reagiert, dessen Leistung aber schnell nachlässt, und kombinierte es mit einem Polymermaterial, das sehr haltbar und leichter zu verarbeiten, aber wesentlich unempfindlicher ist.
Über die Ergebnisse berichten die MIT-Professoren Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik und Jesus del Alamo, die Doktorandin Heejung Roh und die Postdocs Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho und Young-Moo Jo in der Zeitschrift Advanced Materials.
MOFs sind hochporös und haben eine große Oberfläche, und es gibt sie in verschiedenen Zusammensetzungen. Einige können isolierend sein, aber die für diese Arbeit verwendeten sind elektrisch hoch leitfähig. Mit ihrer schwammartigen Form können sie Moleküle verschiedener Gase einfangen, und die Größe ihrer Poren kann so angepasst werden, dass sie für bestimmte Gasarten selektiv sind. "Wenn man sie als Sensor einsetzt, kann man erkennen, ob das Gas vorhanden ist, wenn es sich auf den Widerstand des MOF auswirkt", sagt Gumyusenge, der Erstautor der Studie und Merton C. Flemings Career Development Assistant Professor of Materials Science and Engineering.
Der Nachteil bei der Verwendung dieser Materialien als Gasdetektoren ist, dass sie schnell gesättigt sind und dann keine neuen Einträge mehr erkennen und quantifizieren können. "Das ist nicht das, was man will. Man möchte in der Lage sein, Gase zu erkennen und wiederzuverwenden", sagt Gumyusenge. "Deshalb haben wir beschlossen, einen Polymerverbundstoff zu verwenden, um diese Reversibilität zu erreichen".
Das Team verwendete eine Klasse leitfähiger Polymere, von denen Gumyusenge und seine Mitarbeiter bereits gezeigt hatten, dass sie auf Gase reagieren können, ohne sich dauerhaft an diese zu binden. "Das Polymer hat zwar nicht die große Oberfläche wie die MOFs, aber es ermöglicht zumindest dieses Phänomen des Erkennens und Freisetzens", sagt er.
Das Team kombinierte die Polymere in einer flüssigen Lösung mit dem MOF-Material in Pulverform und trug die Mischung auf ein Substrat auf, wo sie zu einer gleichmäßigen, dünnen Beschichtung trocknete. Durch die Kombination des Polymers mit seiner schnellen Erkennungsfähigkeit und der empfindlicheren MOFs in einem Verhältnis von 1:1, sagt er, "erhalten wir plötzlich einen Sensor, der sowohl die hohe Empfindlichkeit hat, die wir von den MOFs erhalten, als auch die Reversibilität, die durch die Anwesenheit des Polymers ermöglicht wird."
Das Material ändert seinen elektrischen Widerstand, wenn Gasmoleküle vorübergehend in dem Material eingeschlossen werden. Diese Widerstandsänderungen können kontinuierlich überwacht werden, indem einfach ein Ohmmeter angebracht wird, um den Widerstand über die Zeit zu verfolgen. Gumyusenge und seine Studenten demonstrierten die Fähigkeit des Verbundmaterials, Stickstoffdioxid, ein giftiges Gas, das bei vielen Verbrennungsarten entsteht, in einem kleinen Gerät im Labormaßstab nachzuweisen. Nach 100 Detektionszyklen behielt das Material seine Grundleistung mit einer Marge von etwa 5 bis 10 Prozent bei, was sein langfristiges Einsatzpotenzial unter Beweis stellt.
Darüber hinaus hat dieses Material eine weitaus höhere Empfindlichkeit als die meisten derzeit verwendeten Detektoren für Stickstoffdioxid, berichtet das Team. Dieses Gas wird häufig nach der Verwendung von Öfen festgestellt. Da dieses Gas in letzter Zeit mit zahlreichen Asthmafällen in den USA in Verbindung gebracht wird, ist ein zuverlässiger Nachweis in niedrigen Konzentrationen wichtig. Das Team wies nach, dass dieser neue Verbundstoff das Gas in Konzentrationen von nur 2 Teilen pro Million reversibel nachweisen kann.
Obwohl die Demonstration speziell auf Stickstoffdioxid abzielte, sagt Gumyusenge: "Wir können die Chemie definitiv auf andere flüchtige Moleküle zuschneiden", solange es sich um kleine polare Analyten handelt, "was bei den meisten toxischen Gasen der Fall ist".
Neben der Kompatibilität mit einem einfachen Handdetektor oder einem Rauchmelder besteht ein Vorteil des Materials darin, dass es sich dank des Polymers als extrem dünner, gleichmäßiger Film abscheiden lässt, im Gegensatz zu herkömmlichen MOFs, die im Allgemeinen in einer ineffizienten Pulverform vorliegen. Da die Filme so dünn sind, wird nur wenig Material benötigt, und die Kosten für das Produktionsmaterial könnten gering sein; die Verarbeitungsmethoden könnten denen entsprechen, die bei industriellen Beschichtungsprozessen verwendet werden. "Der begrenzende Faktor könnte also sein, dass wir die Synthese der Polymere, die wir bisher in kleinen Mengen synthetisiert haben, hochskalieren", sagt Gumyusenge.
"Die nächsten Schritte werden darin bestehen, diese in realen Umgebungen zu evaluieren", sagt er. Das Material könnte beispielsweise als Beschichtung auf Schornsteinen oder Auspuffrohren angebracht werden, um die Gase durch die Messwerte eines angebrachten Widerstandsmessgeräts kontinuierlich zu überwachen. In solchen Umgebungen, sagt er, "brauchen wir Tests, um zu prüfen, ob wir es wirklich von anderen potenziellen Verunreinigungen unterscheiden können, die wir im Labor vielleicht übersehen haben. Lassen Sie uns die Sensoren in der realen Welt einsetzen und sehen, wie sie sich schlagen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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