Ett KAIST-team gjorde en ultrasnabb vätgassensor som kan detektera vätgasnivåer under 1 % på mindre än sju sekunder. Sensorn kan också detektera hundratals delar per miljon nivåer av vätgas inom 60 sekunder vid rumstemperatur.

En forskargrupp under professor Il-Doo Kim vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid KAIST, i samarbete med professor Reginald M. Penner vid University of California-Irvine, har utvecklat ett ultrasnabbt vätgasdetektionssystem baserat på en palladium (Pd) nanotrådarray belagd med ett metallorganiskt ramverk (MOF).

Vätgas har betraktats som en miljövänlig nästa generations energikälla. Dock, det är en brandfarlig gas som kan explodera även med en liten gnista. För säkerhet, den nedre explosionsgränsen för vätgas är 4 vol% så sensorer bör kunna upptäcka den färglösa och luktfria vätemolekylen snabbt. Vikten av sensorer som snabbt kan upptäcka färglös och luktfri vätgas har betonats i de senaste riktlinjerna som utfärdats av U.S. Department of Energy. Enligt riktlinjerna, vätesensorer bör detektera 1 vol% väte i luften på mindre än 60 sekunder för adekvata svars- och återhämtningstider.

För att övervinna begränsningarna hos Pd-baserade vätesensorer, forskargruppen introducerade ett MOF-lager ovanpå en Pd nanotrådarray. Litografiskt mönstrade Pd-nanotrådar överbelagdes helt enkelt med ett Zn-baserat zeolit-imidazol-ramverk (ZIF-8) skikt sammansatt av Zn-joner och organiska ligander. ZIF-8 film beläggs enkelt på Pd nanotrådar genom enkel doppning (i 2-6 timmar) i en metanollösning inklusive Zn (NO3)2·6H2O och 2-metylimidazol.

Eftersom syntetiserad ZIF-8 är ett mycket poröst material som består av ett antal mikroporer på 0,34 nm och 1,16 nm, vätgas med en kinetisk diameter på 0,289 nm kan lätt tränga in i ZIF-8-membranet, medan stora molekyler (> 0,34 nm) screenas effektivt av MOF-filtret. Således, ZIF-8-filtret på Pd nanotrådarna tillåter den dominerande penetrationen av vätemolekyler, vilket leder till accelerationen av Pd-baserade H2-sensorer med en 20 gånger snabbare återhämtning och svarshastighet jämfört med orörda Pd-nanotrådar vid rumstemperatur.

Professor Kim förväntar sig att den ultrasnabba vätgassensorn kan vara användbar för att förebygga explosionsolyckor orsakade av läckage av vätgas. Dessutom, han förväntar sig att andra skadliga gaser i luften kan detekteras exakt genom effektiv nanofiltrering genom att använda en mängd olika MOF-lager.

Denna studie utfördes av Ph.D. kandidat Won-Tae Koo (första författare), Professor Kim (medförfattare), och professor Penner (medförfattare). Studien har publicerats i nätupplagan av ACS tillämpade material och gränssnitt , som omslagsbild för septembernumret.