Исследовательская группа под руководством профессора Иль-Ду Кима из отдела материаловедения и инженерии KAIST в сотрудничестве с профессором Реджинальдом М. Пеннером из Калифорнийского университета в Ирвине разработала сверхбыструю систему обнаружения газообразного водорода на основе палладия. (Pd) массив нанопроволок, покрытых металлоорганическим каркасом (MOF).Водород считается экологически чистым источником энергии следующего поколения. Однако это горючий газ, который может взорваться даже при небольшой искре. В целях безопасности нижний предел взрываемости для газообразного водорода составляет 4 об.%, Поэтому сенсоры должны иметь возможность быстро обнаруживать молекулу водорода без цвета и запаха.
Важность датчиков, способных быстро обнаруживать газообразный водород без цвета и запаха, была подчеркнута в недавних рекомендациях Министерства энергетики США. Согласно руководящим принципам, датчики водорода должны обнаруживать 1 об.% Водорода в воздухе менее чем за 60 секунд, чтобы обеспечить адекватный отклик и время восстановления.Чтобы преодолеть ограничения датчиков водорода на основе Pd, исследовательская группа представила слой MOF поверх массива нанопроволок Pd.
Нанопроволоки Pd с литографическим рисунком просто покрывали слоем цеолит-имидазольного каркаса на основе Zn (ZIF-8), состоящим из ионов Zn и органических лигандов. Пленка ЗИФ-8 легко наносится на нанопроволоки Pd простым погружением (на 2-6 часов) в раствор метанола, включающего Zn (NO3) 2 · 6H2O и 2-метилимидазол.
Поскольку синтезированный ЗИФ-8 представляет собой высокопористый материал, состоящий из ряда микропор размером 0,34 нм и 1,16 нм, газообразный водород с кинетическим диаметром 0,289 нм может легко проникать внутрь мембраны ЗИФ-8, в то время как большие молекулы (> 0,34 нм нм) эффективно экранируются фильтром MOF. Таким образом, фильтр ZIF-8 на нанопроволоках Pd обеспечивает преимущественное проникновение молекул водорода, что приводит к ускорению сенсоров H2 на основе Pd с 20-кратным увеличением скорости восстановления и отклика по сравнению с чистыми нанопроволоками Pd при комнатной температуре.
Профессор Ким ожидает, что сверхбыстрый датчик водорода может быть полезен для предотвращения взрывов, вызванных утечкой газообразного водорода. Кроме того, он ожидает, что другие вредные газы в воздухе могут быть точно обнаружены с помощью эффективной нанофильтрации с использованием различных слоев MOF.
Это исследование было выполнено доктором философии. кандидат Вон-Тэ Ку (первый автор), профессор Ким (соавтор-корреспондент) и профессор Пеннер (соавтор-корреспондент). Исследование было опубликовано в онлайн-издании ACS Nano в качестве изображения на обложке сентябрьского номера.