Russische onderzoekers hebben een mechanisme ontwikkeld voor het detecteren van moleculaire waterstof met behulp van groen licht om een ​​nanokristallijne composietsensor op basis van zink- en indiumoxiden te verlichten. Hierdoor kan een gassensor werken bij kamertemperatuur. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Multisensor-arrays voor het bepalen van de samenstelling van gasmengsels zijn in ontwikkeling. Dit zijn bewakingssystemen met meerdere sensoren die gericht zijn op individuele gassen. Dergelijke sensoren kunnen worden gebruikt om de luchtkwaliteit zowel buiten als in gesloten ruimtes te analyseren. Het volgen van luchtverontreiniging blijft een essentiële zorg voor veel ontwikkelde landen. Omdat woongemeenschappen de neiging hebben zich te clusteren rond industriegebieden, er moet een mechanisme zijn om de schadelijke uitstoot van fabrieken en fabrieken te beheersen.

Aanvullend, metingen van de luchtsamenstelling zijn vereist bij kerncentrales, op onderzeeërs en ruimtestations, en bij andere voorzieningen waar toegang tot frisse lucht niet onmiddellijk beschikbaar is. Als de concentratie kooldioxide stijgt of een giftige stof in het ventilatiesysteem lekt, dit kan het leven van het personeel in gevaar brengen.

Commerciële gasmengsels zoals gasbrandstoffen hebben ook nauwkeurige controle van de samenstelling nodig. Onder hen is waterstof. Gebruikt als gasbrandstof, het zou mogelijk koolwaterstoffen kunnen vervangen. Het is een schone brandstof die bij verbranding niets anders dan waterdamp afgeeft. In aanvulling, het rendement van het verbranden van waterstof is 10 tot 20 procent hoger dan dat van koolwaterstoffen. Sommige autofabrikanten zijn al begonnen met het geleidelijk invoeren van waterstof en zien het als een brandstof van de toekomst. En toch is de ramp met het luchtschip Hindenburg een trieste herinnering aan hoe gevaarlijk waterstof kan zijn.

Tot voor kort, gassensoren op basis van nanokristallijne metaaloxiden hadden bedrijfstemperaturen tussen 300 en 500 graden Celsius. Dit maakte ze onveilig voor de detectie van explosieve of brandbare stoffen. Bovendien, om deze hoge temperaturen te behouden, veel kracht nodig, waardoor het onmogelijk is om dergelijke gassensoren in de printplaten van draagbare apparaten te integreren.

Om dit probleem op te lossen, Professor Leonid Trakhtenberg van het MIPT; Pavel Kasjkarov, directeur van het Instituut voor Nano-, Bio-, Informatie, Cognitieve en sociaal-humanistische wetenschap en technologie; Alexander Ilin en Pavel Forsh van de Lomonosov Moscow State University; en hun collega's van het Semenov Institute of Chemical Physics stelden sensoren voor die bij kamertemperatuur kunnen werken. Hun nieuwe nanocomposietsensoren zijn gebaseerd op zink- en indiumoxiden, en hun efficiëntie wordt gemaximaliseerd door groen licht. Het voorgestelde apparaat zou kunnen worden gebruikt om brandbare, explosief, of giftige stoffen in de atmosfeer, zelfs bij lage concentraties.

"Het mechanisme bestaat uit de door licht geïnduceerde overgang van de nanokristallijne sensorcomponenten naar een niet-evenwichtstoestand en de resulterende verandering in de fotogeleiding van de sensor die in wisselwerking staat met moleculaire waterstof. Dit effect houdt verband met de afhankelijkheid van fotogeleiding van de recombinatiesnelheid van de niet-evenwichtige ladingsdrager , " legt Maria Ikim uit, een doctoraalstudent aan het Laboratorium voor Functionele Nanocomposieten van het Semenov Instituut voor Chemische Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen.

"De detectoren die we hebben ontwikkeld, verschillen van de conventionele halfgeleidersensoren doordat ze bij kamertemperatuur werken. Dit elimineert het gevaar van verbranding of explosie, wanneer het om brandbare of explosieve stoffen gaat, " zegt Leonid Trakhtenberg van de afdeling Chemische Fysica, MIPT, die houder is van een ScD in natuurkunde en wiskunde. "De meeste artikelen over fotoactivering van sensoren bespreken de effecten van ultraviolet licht op sensoren en richten zich op de detectie van oxiderende gassen. Maar de efficiëntie van ultraviolette lichtdiodes is laag, terwijl hun kosten veel hoger zijn dan die van hun tegenhangers die in het zichtbare deel van het spectrum uitzenden. Door met waterstof te werken, we onderzoeken de mogelijkheden van de detectie van reducerende gassen."

Het artikel stelt een nieuw mechanisme voor van sensorrespons fotoactivatie, wat wordt geïllustreerd door de afbeelding hierboven. Het is verantwoordelijk voor de overgang van ladingsdragers naar een niet-evenwichtstoestand. Het betrokken proces is universeel:het kan worden gebruikt om meetresultaten te interpreteren in zowel oxiderende als reducerende gassen.

De door de auteurs voorgestelde sensoren kunnen worden gebruikt om de samenstelling van de atmosferische lucht te controleren en de chemische samenstelling van gassen die in industriële processen worden gebruikt, te analyseren. Hoewel het onderzoek zich richt op gassen, dezelfde sensoren kunnen worden aangepast om vloeistoffen te targeten.