Wetenschap
Bereiding van katalysatoren met één atoom voor zeer gevoelige gasdetectie
Gassensoren worden op grote schaal toegepast op gebieden als medische gezondheid, milieumonitoring en voedselveiligheid. De huidige gassensoren worden echter nog steeds geconfronteerd met verschillende uitdagingen, waaronder een lage gevoeligheid, lange respons- en hersteltijden en basislijnafwijking.
Gepubliceerd in International Journal of Extreme Manufacturing heeft het team van prof. Zhang van het Harbin Institute of Technology het gebruik van katalysatoren met één atoom op het gebied van gasdetectie uitgebreid geïntroduceerd, waarbij een nieuwe strategie werd voorgesteld om de prestaties van gassensoren verder te verbeteren.
Dit overzicht bespreekt voornamelijk de toepassing van katalysatoren met één atoom op het gebied van gasdetectie. Het vat met name de structuur en principes van op halfgeleiders gebaseerde gassensoren samen en bespreekt de nieuwste methoden voor het bereiden van katalysatoren met één atoom.
Het analyseert ook de mechanismen waarmee katalysatoren met één atoom de gasgevoeligheid verbeteren vanuit twee perspectieven, waardoor een gedetailleerd overzicht wordt geboden van de prestaties van katalysatoren met één atoom bij gasdetectie.
Katalysatoren met één atoom vertonen uitstekende katalytische prestaties vanwege hun uitstekende atomaire benutting en unieke fysisch-chemische eigenschappen. Dit kenmerk positioneert ze als concurrerende kandidaten voor gasgevoelige materialen, omdat de kernfunctie van gassensoren afhankelijk is van het katalytische proces van doelgasmoleculen op het gevoelige materiaal.
Het principe van de meeste gassensoren is gebaseerd op de reactie van gasmoleculen met chemisch geabsorbeerde zuurstof op het oppervlak van het sensormateriaal. Deze reactie verandert het aantal ladingsdragers binnen de geleidingsband van het detectiemateriaal, waardoor een verandering in de weerstand van het materiaal wordt veroorzaakt.
Volgens de onderzoeksresultaten kan de interactie tussen afzonderlijke atomen en gasmoleculen reacties van gassen op het oppervlak van gevoelige materialen bevorderen. Bovendien kunnen de heterogene structuren die in gevoelige materialen worden gevormd de elektronenoverdracht binnen het detectiemateriaal aanzienlijk vergemakkelijken. Bijgevolg kunnen gassensoren op basis van katalysatoren met één atoom een hogere gevoeligheid en kortere responstijden bereiken.
Momenteel omvatten de synthesemethoden voor katalysatoren met één atoom impregnatie, co-precipitatie, pyrolyse in één pot, afzetting van atomaire lagen, opofferingssjabloonmethoden, van metaal-organische raamwerken (MOF's) afgeleide methoden, enz.
Afzonderlijke atomen hebben echter de neiging zich te aggregeren tot clusters tijdens zowel de synthese- als de gebruiksprocessen. Om katalysatoren met één atoom met een hoge belasting en stabiliteit te synthetiseren, is het noodzakelijk om de interactie tussen afzonderlijke atomen en dragers te verbeteren door onder andere de coördinatieomgeving van afzonderlijke atomen te wijzigen.
Bovendien is de selectie van gasgevoelige materialen voor een specifiek gas afhankelijk van experimentele resultaten en ontbreekt het aan theoretische richtlijnen. Het onderzoeken van de mechanismen waarmee afzonderlijke atomen de gasdetectieprestaties verbeteren, kan het begrip van actieve locaties vergemakkelijken en daarmee een theoretische basis leggen voor het rationele ontwerp van gasgevoelige materialen.
Als gasgevoelig materiaal bezitten katalysatoren met één atoom de voordelen van lage detectielimieten en hoge selectiviteit, waardoor ze een veelbelovend materiaal zijn met brede toepassingsmogelijkheden. Er wordt verwacht dat ze een aanzienlijke bijdrage zullen leveren aan het verder verbeteren van de gevoeligheid en selectiviteit van gassensoren.
Bovendien zullen ze hoogstwaarschijnlijk de ontwikkeling van hoogwaardige gassensoren vergemakkelijken die in speciale omgevingen werken, zoals lage temperaturen, lage druk en zuurstofvrije omstandigheden.