Imagem representativa deste artigo publicado em ACS Nano em 26 de setembro. Crédito:KAIST
Uma equipe KAIST fez um sensor de hidrogênio ultrarrápido que pode detectar níveis de gás hidrogênio abaixo de 1% em menos de sete segundos. O sensor também pode detectar centenas de partes por milhão de níveis de gás hidrogênio em 60 segundos em temperatura ambiente.
Um grupo de pesquisa sob a orientação do Professor Il-Doo Kim no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da KAIST, em colaboração com o professor Reginald M. Penner da University of California-Irvine, desenvolveu um sistema ultrarrápido de detecção de gás hidrogênio baseado em um arranjo de nanofios de paládio (Pd) revestido com uma estrutura metal-orgânica (MOF).
O hidrogênio é considerado uma fonte de energia de próxima geração que não agride o meio ambiente. Contudo, é um gás inflamável que pode explodir mesmo com uma pequena faísca. Por segurança, o limite inferior de explosão para o gás hidrogênio é 4 vol%, portanto os sensores devem ser capazes de detectar a molécula de hidrogênio incolor e inodora rapidamente. A importância de sensores capazes de detectar rapidamente gás hidrogênio incolor e inodoro foi enfatizada em diretrizes recentes emitidas pelo Departamento de Energia dos EUA. De acordo com as diretrizes, os sensores de hidrogênio devem detectar 1 vol% de hidrogênio no ar em menos de 60 segundos para tempos de resposta e recuperação adequados.
Para superar as limitações dos sensores de hidrogênio baseados em Pd, a equipe de pesquisa introduziu uma camada MOF no topo de um arranjo de nanofios de Pd. Nanofios de Pd litograficamente padronizados foram simplesmente revestidos com uma camada de estrutura de imidazol zeólita à base de Zn (ZIF-8) composta de íons de Zn e ligantes orgânicos. O filme ZIF-8 é facilmente revestido em nanofios de Pd por imersão simples (por 2-6 horas) em uma solução de metanol incluindo Zn (NO3) 2 · 6H2O e 2-metilimidazol.
Imagens de sensores de hidrogênio baseados em matriz de nanofios de Pd, imagem de microscopia eletrônica de varredura de um nanofio de Pd coberto por uma camada de estrutura metal-orgânica, e as propriedades de detecção de hidrogênio dos sensores. Crédito:KAIST
Como sintetizado, o ZIF-8 é um material altamente poroso composto de uma série de microporos de 0,34 nm e 1,16 nm, gás hidrogênio com um diâmetro cinético de 0,289 nm pode penetrar facilmente dentro da membrana ZIF-8, enquanto moléculas grandes (> 0,34 nm) são efetivamente selecionados pelo filtro MOF. Assim, o filtro ZIF-8 nos nanofios de Pd permite a penetração predominante de moléculas de hidrogênio, levando à aceleração de sensores de H2 à base de Pd com uma recuperação e velocidade de resposta 20 vezes mais rápida em comparação com nanofios de Pd primitivos à temperatura ambiente.
O professor Kim espera que o sensor ultrarrápido de hidrogênio possa ser útil para a prevenção de acidentes de explosão causados pelo vazamento de gás hidrogênio. Além disso, ele espera que outros gases nocivos no ar possam ser detectados com precisão por meio de nanofiltração eficaz usando uma variedade de camadas de MOF.
Ilustração esquemática de uma estrutura metal-orgânica (MOF). O MOF, consistindo em íons metálicos e ligantes orgânicos, é um material altamente poroso com uma área de superfície ultra-alta. As várias estruturas de MOFs podem ser sintetizadas dependendo dos tipos de íons metálicos e ligantes orgânicos. Crédito:KAIST
Este estudo foi realizado por Ph.D. candidato Won-Tae Koo (primeiro autor), Professor Kim (co-autor correspondente), e Professor Penner (co-autor correspondente). O estudo foi publicado na edição online da Materiais e interfaces aplicados ACS , como imagem de capa da edição de setembro.
