Från astronauter och ubåtsmän till gruvarbetare och räddningsarbetare, människor som verkar i små, slutna utrymmen behöver god luftkvalitet för att fungera säkert och effektivt. Elektroniska sensorer som nu utvecklats av ett KAUST-team kan samtidigt detektera minst tre kritiska parametrar som är viktiga att övervaka för att säkerställa mänsklig komfort och säkerhet.

Dessa nya sensorer använder fluorerade metall-organiska ramverk (MOF) som avkänningsskikt. MOF:er är porösa material som består av en regelbunden uppsättning metallatomer som hålls samman av små organiska molekyllänkar för att bilda en upprepad burliknande struktur. KAUSTs Mohamed Eddaoudi, som ledde de två studierna av sensorns effektivitet, förklarar att genom att ändra metall och organiska komponenter, MOF kan ställas in för applikationer som sträcker sig från gasseparering och lagring till katalys och avkänning.

"Många människor har försökt utveckla enkla, effektiv, låg kostnad SO ₂ , CO ₂ och H ₂ O sensorer utan framgång, " säger forskarna Mohamed Rachid Tchalala, Youssef Belmabkhout och Prashant Bhatt, allt från Eddoudis labb.

Tillvägagångssättet från Eddaoudis grupp var att utveckla en fluorerad MOF, som Belmabkhout och Tchalala testade som sensormaterial för dessa gaser. Testning av dessa toppmoderna material skedde i samarbete med Khaled Nabil Salama och hans team.

Den första studien visar hur sensorn kan mäta koncentrationen av koldioxid och fuktighetsnivån i luften. Medan den andra studien av samma fluorerade MOF visar att den kan upptäcka den skadliga och frätande gasen svaveldioxid, eller till och med selektivt ta bort den från kraftverkets rökgas.

"Spår av SO ₂ förekommer alltid i rökgasen som produceras av fabriker och kraftverk, och så ₂ kan förgifta material som utvecklats för att fånga upp CO ₂ för avskiljning och lagring av kol, " säger Belmabkhout och Bhatt. "AlFFIVE-1-Ni kan suga upp SÅ ₂ med en affinitet 66 gånger högre än för CO ₂ , samtidigt som den visar god stabilitet mot SO ₂ exponering."

MOF:erna kan också användas med två enkla, lågpris högkänsliga sensorplattformar. Kvartskristallmikrobalanssensorer (QCM) som är belagda med en tunn film av antingen MOF upptäckte förändringen i massa med absorptionen av SO ₂ , eller vatten och CO ₂ . Liknande, MOF-belagda interdigiterade elektrodsensorer upptäckte en förändring i elektroniska egenskaper med absorption av vatten och CO ₂ .

Båda sensorplattformarna, laget visade, kunde övervaka fukt och CO ₂ nivåer under verkliga atmosfäriska förhållanden. "Signalen är kalibrerad mot CO ₂ koncentration, fuktighetsnivå och blandningar av båda, " förklarar Tchalala. En QCM-baserad sensor kan också detektera SO ₂ i luften vid nivåer på bara 25 ppm.