Un impuls de lumină de 10 milisecunde ar putea duce la senzori de gaz mai sensibili
Cercetătorii au folosit un impuls intens de lumină cu o durată de doar 10 milisecunde pentru a transforma un precursor care conține molibden în fulgi subțiri de disulfură de molibden (MoS₂), pe care au fixat în același pas atomi izolați de platină. Procedeul, numit sinteză termică prin fulger, ar putea deschide calea către senzori de gaz mai sensibili, capabili să detecteze dioxidul de azot la temperatura camerei.
Dioxidul de azot este un gaz nociv care necesită o detectare sensibilă. Senzorii de gaz detectează de obicei substanțele prin modificările proprietăților electrice ale unui material. Disulfura de molibden este promițătoare pentru acest rol, însă o mare parte a suprafeței sale este inactivă, iar muchiile mai reactive se pot pierde greu în timpul încălzirii convenționale. În plus, metalele catalizatoare adăugate tind să se aglomereze în loc să rămână sub formă de atomi individuali.
Cum funcționează impulsul de lumină
Pentru a depăși aceste limitări, cercetătorii au folosit sinteza termică prin fulger, bazată pe lumină pulsată intensă. Un singur impuls de 10 milisecunde a încălzit materialul până la 1.811°C, după care acesta s-a răcit rapid în aer ambiant. În același pas au putut fi încorporați atomi de platină, iridiu sau aur. Încălzirea scurtă și intensă a limitat creșterea fulgilor mari și a menținut atomii de metal dispersați în material, în loc să formeze nanoparticule aglomerate.
Cercetarea a fost condusă în comun de profesorul Il-Doo Kim de la Institutul Avansat de Știință și Tehnologie din Coreea (KAIST) și de asistentul universitar Dong-Ha Kim de la Universitatea Hanyang-ERICA, în calitate de autori corespondenți, iar dr. Euichul Shin de la KAIST a fost primul autor. Rezultatele au fost publicate în revista Advanced Materials.
Rezultatele detectării dioxidului de azot
În teste, MoS₂ obținut prin fulger a produs un răspuns de 23,6 ori mai puternic la 5 părți pe milion de dioxid de azot (NO₂) decât materialul obținut prin metoda solvotermală convențională. Adăugarea a 1,2% platină, procent masic, a amplificat răspunsul de 22,8 ori: senzorul a atins un răspuns de 100,8% la expunerea la 400 părți pe miliard de NO₂, la temperatura camerei.
„Avansul important este că putem forma materialul de detecție și putem adăuga atomi catalizatori izolați într-un singur pas rapid, fără a avea nevoie de un tratament prelungit în cuptor”, a declarat Kim.
Senzorul cu platină a detectat NO₂ la concentrații de doar 17,2 părți pe miliard. De asemenea, a arătat selectivitate pentru NO₂ în comparație cu alte gaze testate și a menținut un răspuns stabil pe parcursul a 25 de cicluri de expunere și recuperare. După trei săptămâni în aer ambiant, răspunsul său a scăzut cu doar 2,6%. Calculele au sugerat că atomii de platină întăresc interacțiunea dintre material și NO₂, susținând îmbunătățirea măsurată a detectării.
„Prin ajustarea siturilor active de pe material, această abordare ar putea contribui la o detectare a gazelor sensibilă și selectivă, mai practică, oferind totodată o modalitate flexibilă de a prepara alte nanomateriale funcționale”, a mai spus Kim.
Perspective de extindere și teste viitoare
Procesul a consumat 8,6 kilojouli de energie electrică pe gram. Deoarece lumina poate ilumina o zonă relativ extinsă, abordarea ar putea oferi o cale către o producție mai ușor de extins decât metodele care necesită ore de încălzire. Totuși, senzorii au fost testați într-un cadru de laborator, iar performanța în condiții reale, în medii exterioare variate și în dispozitive comerciale, trebuie încă evaluată.
Cercetătorii sugerează că strategia de sinteză ar putea fi explorată și pentru catalizatori folosiți în tehnologii de energie curată, precum și pentru alte materiale avansate și aplicații de conversie a energiei.
Studiul prezintă sinteza termică prin fulger ca o modalitate rapidă de a obține disulfură de molibden bogată în muchii reactive și de a fixa atomi catalizatori individuali. Rezultatele indică progrese potențiale în domeniul senzorilor de gaz pentru temperatura camerei, utilizați pentru monitorizarea calității aerului și detectarea industrială a gazelor, în așteptarea unor teste și dezvoltări suplimentare. Strategia ar putea ajuta totodată cercetătorii să dezvolte materiale de generație următoare pentru tehnologii energetice mai curate și de mediu.
