Een KAIST-team heeft een ultrasnelle waterstofsensor gemaakt die waterstofgasniveaus van minder dan 1% in minder dan zeven seconden kan detecteren. De sensor kan ook honderden deeltjes per miljoen niveaus van waterstofgas detecteren binnen 60 seconden bij kamertemperatuur.

Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Il-Doo Kim in de afdeling Materials Science and Engineering van KAIST, in samenwerking met professor Reginald M. Penner van de Universiteit van Californië-Irvine, heeft een ultrasnel waterstofgasdetectiesysteem ontwikkeld op basis van een palladium (Pd) nanodraadarray gecoat met een metaal-organisch raamwerk (MOF).

Waterstof wordt beschouwd als een milieuvriendelijke energiebron van de volgende generatie. Echter, het is een ontvlambaar gas dat zelfs met een kleine vonk kan exploderen. Voor de veiligheid, de onderste explosiegrens voor waterstofgas is 4 vol%, dus sensoren moeten het kleur- en geurloze waterstofmolecuul snel kunnen detecteren. Het belang van sensoren die snel kleurloos en geurloos waterstofgas kunnen detecteren, is benadrukt in recente richtlijnen van het Amerikaanse ministerie van Energie. Volgens de richtlijnen is waterstofsensoren moeten in minder dan 60 seconden 1 vol% waterstof in de lucht detecteren voor adequate respons- en hersteltijden.

Om de beperkingen van op Pd gebaseerde waterstofsensoren te overwinnen, het onderzoeksteam introduceerde een MOF-laag bovenop een Pd-nanodraadarray. Lithografisch gevormde Pd-nanodraden werden eenvoudigweg overcoat met een Zn-gebaseerd zeoliet-imidazolraamwerk (ZIF-8) laag bestaande uit Zn-ionen en organische liganden. ZIF-8-film wordt gemakkelijk gecoat op Pd-nanodraden door eenvoudig (2-6 uur) onder te dompelen in een methanoloplossing met Zn (NO3) 2 · 6H2O en 2-methylimidazol.

Aangezien gesynthetiseerd ZIF-8 een zeer poreus materiaal is dat bestaat uit een aantal microporiën van 0,34 nm en 1,16 nm, waterstofgas met een kinetische diameter van 0,289 nm kan gemakkelijk het ZIF-8-membraan binnendringen, terwijl grote moleculen (> 0,34 nm) worden effectief gescreend door het MOF-filter. Dus, het ZIF-8-filter op de Pd-nanodraden maakt de overheersende penetratie van waterstofmoleculen mogelijk, wat leidt tot de versnelling van Pd-gebaseerde H2-sensoren met een 20-voudig snellere herstel- en reactiesnelheid in vergelijking met ongerepte Pd-nanodraden bij kamertemperatuur.

Professor Kim verwacht dat de ultrasnelle waterstofsensor nuttig kan zijn voor het voorkomen van explosieongevallen veroorzaakt door lekkage van waterstofgas. In aanvulling, hij verwacht dat andere schadelijke gassen in de lucht nauwkeurig kunnen worden gedetecteerd door effectieve nanofiltratie met behulp van verschillende MOF-lagen.

Deze studie werd uitgevoerd door Ph.D. kandidaat Won-Tae Koo (eerste auteur), Professor Kim (co-corresponderende auteur), en Professor Penner (co-corresponderende auteur). De studie is gepubliceerd in de online editie van ACS toegepaste materialen en interfaces , als de cover-featured afbeelding voor het septembernummer.