Ingenjörer i Australien har utvecklat en liten ammoniakgassensor som kan möjliggöra säkrare vätgaslagring och specialiserad medicinsk diagnostikutrustning.
Den enkla men effektiva proof-of-concept-sensorn som beskrivs i Avancerade funktionella material är resultatet av samarbete mellan forskare vid RMIT University, University of Melbourne och ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS).
Exponering för höga nivåer av ammoniak kan leda till kroniska lungtillstånd och irreversibla organskador.
Uppskattningsvis 235 miljoner ton ammoniak produceras globalt, men med ammoniak som anses vara ett av de bästa sätten att lagra väte för rent bränsle, kan vi se mycket mer av det. Tillförlitlig och känslig ammoniakdetektering kommer att vara avgörande för att snabbt upptäcka potentiellt farliga läckor av ammoniakgas under transport av väte, för att säkerställa säker drift.
Men medan mänsklig exponering för ammoniak kan vara skadlig, finns gasen också i människors andetag och kan fungera som en viktig biomarkör för diagnos av många sjukdomar som njur- och leverrelaterade sjukdomar. Med tanke på att teamets sensor kan mäta små mängder ammoniak, skulle den kunna konstrueras för att upptäcka gasen på människors andetag för att varna läkare om hälsoproblem.
Senior ledande forskare Dr. Nitu Syed sa att sensorn innehöll atomärt tunn genomskinlig tenndioxid som lätt kan spåra ammoniak vid mycket mindre nivåer än liknande teknologier.
"Vår enhet fungerar som en elektrisk "näsa" genom att effektivt detektera även den minsta mängd ammoniak", säger Syed, McKenzie Research Fellow från University of Melbourne, RMIT och TMOS. "Sensorn kan också skilja ammoniak från andra gaser med mer selektivitet än andra tekniker."
Förekomsten av ammoniak i luften ändrar det elektriska motståndet hos tennoxidfilmen i sensorn:ju högre ammoniaknivå är, desto större förändring i enhetens motstånd.
Teamet genomförde experiment med sin sensor i en specialdesignad kammare för att testa dess förmåga att detektera ammoniakgas i olika koncentrationer (5–500 ppm) under olika förhållanden, inklusive temperatur. De testade också enhetens selektivitet av ammoniak mot andra gaser, inklusive koldioxid och metan.
Första författaren Dr. Chung K. Nguyen från RMIT sa att deras miniatyriserade sensor erbjöd ett säkrare och mindre krångligt sätt att upptäcka den giftiga gasen, jämfört med befintliga tekniker.
"Nuvarande metoder för att detektera ammoniak ger noggranna mätningar men kräver dyr laboratorieutrustning med kvalificerade tekniker, omfattande provtagning och förberedelse," sade Nguyen. "Denna process är ofta tidskrävande och inte bärbar, på grund av storleken på den utrustning som behövs. Dessutom innebär tillverkningen av dagens ammoniakdetektorer dyra och komplicerade processer för att förbereda känsliga lager för sensortillverkning."
Teamets nya sensor kan omedelbart skilja mellan säkra och farliga nivåer av ammoniak i miljön, sa Nguyen.
"Den reproducerbara avsättningen av tennoxid erbjuder också möjligheten till kostnadseffektiv massproduktion av avkänningsanordningar", noterade han.
Co-senior ledande forskare Dr. Ylias Sabri, från RMIT:s School of Engineering, sa att teamet använde en billig och skalbar teknik för att deponera supertunn tenndioxid på ett basmaterial – även på ett flexibelt material, ett resultat som andra tillvägagångssätt har stött på. utmaningar att uppnå.
"Vi skördar en tennoxidfilm direkt från ytan av smält tenn vid 280 grader Celsius. Filmen är 50 000 gånger tunnare än papper," sa Sabri. "Vår metod kräver bara ett enda syntessteg, utan att använda några giftiga lösningsmedel, vakuum eller skrymmande och dyra instrument."
Teamet är angelägna om att samarbeta med industripartners för att vidareutveckla och prototypa sensorn för att demonstrera dess högpresterande avkänningsförmåga, och säger:"Tillverkningsmetoden överensstämmer väl med befintliga tillverkningsprocesser i kiselindustrin, vilket gör den lämplig för massproduktion."
Mer information: Chung Kim Nguyen et al, Instant-in-Air Liquid Metal Printed Ultrathin Tin Oxide for High-Performance Ammoniak Sensors, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202309342
Tillhandahålls av RMIT University
