De flesta system som används för att upptäcka giftiga gaser i industri- eller hemmiljö kan endast användas en gång, eller i bästa fall några gånger. Nu har forskare vid MIT utvecklat en detektor som kan ge kontinuerlig övervakning av förekomsten av dessa gaser, till låg kostnad.

Det nya systemet kombinerar två befintliga teknologier och för dem samman på ett sätt som bevarar fördelarna med var och en samtidigt som deras begränsningar undviks. Teamet använde ett material som kallas en metall-organisk ram, eller MOF, som är mycket känsligt för små spår av gas men vars prestanda snabbt försämras, och kombinerade det med ett polymermaterial som är mycket hållbart och lättare att bearbeta, men mycket mindre känsligt. .

Resultaten rapporteras i tidskriften Advanced Materials , i en artikel av MIT-professorerna Aristide Gumyusenge, Mircea Dinca, Heather Kulik och Jesus del Alamo, doktorand Heejung Roh och postdoktorerna Dong-Ha Kim, Yeongsu Cho och Young-Moo Jo.

Mycket porösa och med stora ytor finns MOFs i en mängd olika sammansättningar. Vissa kan vara isolatorer, men de som används för detta arbete är starkt elektriskt ledande. Med sin svampliknande form är de effektiva på att fånga molekyler av olika gaser, och storleken på deras porer kan skräddarsys för att göra dem selektiva för särskilda typer av gaser.

"Om du använder dem som en sensor kan du känna igen om gasen finns där om den har en effekt på resistiviteten hos MOF", säger Gumyusenge, tidningens seniorförfattare och Merton C. Flemings Career Development Assistant Professor of Materials Vetenskap och teknik.

Nackdelen med att dessa material används som detektorer för gaser är att de lätt blir mättade och sedan inte längre kan upptäcka och kvantifiera nya insatser. "Det är inte vad du vill. Du vill kunna upptäcka och återanvända," säger Gumyusenge. "Så vi bestämde oss för att använda en polymerkomposit för att uppnå denna reversibilitet."

Teamet använde en klass av ledande polymerer som Gumyusenge och hans medarbetare tidigare visat kan reagera på gaser utan att permanent binda till dem. "Polymeren, även om den inte har den höga yta som MOF:erna har, kommer åtminstone att ge denna typ av fenomen som känner igen och släpper", säger han.

Teamet kombinerade polymererna i en flytande lösning tillsammans med MOF-materialet i pulverform och deponerade blandningen på ett substrat, där de torkar till en enhetlig, tunn beläggning. Genom att kombinera polymeren, med dess snabba detekteringsförmåga, och de mer känsliga MOF:erna, i ett ett-till-ett-förhållande, säger han, "plötsligt får vi en sensor som har både den höga känsligheten vi får från MOF och reversibiliteten som möjliggörs av närvaron av polymeren."

Materialet ändrar sitt elektriska motstånd när molekyler av gasen tillfälligt fångas i materialet. Dessa förändringar i motstånd kan övervakas kontinuerligt genom att helt enkelt ansluta en ohmmeter för att spåra motståndet över tiden. Gumyusenge och hans elever demonstrerade kompositmaterialets förmåga att upptäcka kvävedioxid, en giftig gas som produceras av många typer av förbränning, i en liten lab-skala enhet. Efter 100 cykler av upptäckt behöll materialet fortfarande sin baslinjeprestanda inom en marginal på cirka 5 till 10 procent, vilket visar dess långsiktiga användningspotential.

Dessutom har detta material mycket större känslighet än de flesta för närvarande använda detektorer för kvävedioxid, rapporterar teamet. Denna gas upptäcks ofta efter användning av spisugnar. Och med denna gas nyligen kopplad till många astmafall i USA, är tillförlitlig upptäckt i låga koncentrationer viktig. Teamet visade att denna nya komposit kunde detektera, reversibelt, gasen i koncentrationer så låga som 2 delar per miljon.

Medan deras demonstration var specifikt inriktad på kvävedioxid, säger Gumyusenge, "vi kan definitivt skräddarsy kemin för att rikta in sig på andra flyktiga molekyler," så länge de är små polära analyter, "som tenderar att vara de flesta av de giftiga gaserna."

Förutom att det är kompatibelt med en enkel handhållen detektor eller en anordning av brandvarnare, är en fördel med materialet att polymeren gör att det kan avsättas som en extremt tunn enhetlig film, till skillnad från vanliga MOF:er, som vanligtvis är ineffektiva. pulverform.

Eftersom filmerna är så tunna behövs det lite material och produktionsmaterialkostnaderna kan vara låga; bearbetningsmetoderna kan vara typiska för de som används för industriella beläggningsprocesser. "Så, kanske den begränsande faktorn kommer att skala upp syntesen av polymererna, som vi har syntetiserat i små mängder," säger Gumyusenge.

"Nästa steg kommer att vara att utvärdera dessa i verkliga miljöer", säger han. Till exempel kan materialet appliceras som en beläggning på skorstenar eller avgasrör för att kontinuerligt övervaka gaser genom avläsningar från en ansluten resistansövervakningsanordning. I sådana inställningar, säger han, "Vi behöver tester för att kontrollera om vi verkligen skiljer det från andra potentiella föroreningar som vi kan ha förbisett i labbmiljön. Låt oss lägga ut sensorerna i verkliga scenarier och se hur de gör."

Mer information: Heejung Roh et al, Robust Chemiresistive Behavior in Conductive Polymer/MOF Composites, Advanced Materials (2024). DOI:10.1002/adma.202312382

Journalinformation: Avancerat material

Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.