ترکیب پنج فلز در یک اکسید حسگر گاز اتانول را بهبود می بخشد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

فناوری ای که به طور قابل توجهی عملکرد سنجش گاز اتانول را با ترکیب پنج عنصر فلزی مختلف در یک اکسید منفرد بهبود می بخشد.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور هو وون جانگ از دپارتمان علوم و مهندسی مواد در کالج مهندسی دانشگاه ملی سئول، یک حسگر گاز اتانول مبتنی بر اکسیدی با آنتروپی بالا که ایندیم، قلع، آهن، روی و تنگستن را ترکیب می‌کند، توسعه دادند و ویژگی‌های واکنش سطحی را که مسئول عملکرد بهبود یافته آن بودند، تجزیه و تحلیل کردند. هنگامی که در معرض 50 ppm اتانول در دمای 300 درجه سانتیگراد قرار گرفت، حسگر واکنشی 12.6 برابر بیشتر از اکسید کم آنتروپی مورد استفاده برای مقایسه نشان داد. این یافته ها در مجله Advanced Science منتشر شد.

حسگرهای گاز مبتنی بر اکسید فلز، گازها را با اندازه گیری تغییرات مقاومت الکتریکی که هنگام واکنش مولکول های گاز با سطح حسگر رخ می دهد، تشخیص می دهند. به دلیل ساختار ساده و هزینه ساخت پایین، آنها برای کاربردها در طیف گسترده ای از زمینه ها، از جمله مدیریت کیفیت هوای داخل ساختمان، نظارت بر وضعیت غذا و نظارت بر سایت صنعتی مورد مطالعه قرار می گیرند.

حسگرهای معمولی که از یک نوع اکسید فلزی استفاده می‌کنند، تعداد محدودی مکان‌های سطحی در دسترس برای واکنش‌های گازی دارند، که بهبود همزمان توانایی آن‌ها در تشخیص مقادیر کمی گاز و تشخیص یک گاز خاص از گازهای دیگر را دشوار می‌کند. محققان رویکردهایی مانند افزودن سایر عناصر فلزی یا پوشش سطوح حسگر با فلزات نجیب مانند طلا، پلاتین و پالادیوم را بررسی کرده‌اند، اما این روش‌ها دارای محدودیت‌هایی از جمله پایداری عناصر اضافه‌شده و هزینه بالای فلزات نجیب هستند.

تیم تحقیقاتی در عوض بر روی «طراحی با آنتروپی بالا» تمرکز کردند که چندین عنصر فلزی را در یک ماده واحد ترکیب می‌کند. اکسیدهای با آنتروپی بالا موادی هستند که در آنها چندین نوع عنصر فلزی به نسبت های مشابه در یک ساختار اکسیدی مخلوط شده اند. هنگامی که عناصر مختلف با هم ترکیب می شوند، محیط های اتمی متنوع تر می شوند و به طور بالقوه خواص مکان های سطحی را که در آن مولکول های گاز جذب و واکنش نشان می دهند، تغییر می دهند.

محققان نانوساختارهای اکسیدی با آنتروپی بالا را سنتز کردند که در آن پنج عنصر فلزی به طور یکنواخت توزیع شده بودند و عملکرد حسگری آنها را در شرایط یکسان با حسگرهای اکسیدی با آنتروپی کم یا متوسط ​​مقایسه کردند.

نتایج نشان داد که وقتی در دمای 300 درجه سانتیگراد در معرض 50 ppm اتانول قرار گرفت، حسگر اکسید آنتروپی بالا پاسخ 5135٪ را نشان داد. اکسید کم آنتروپی پاسخ 408 درصد را نشان داد، در حالی که اکسید آنتروپی متوسط ​​654 درصد را ثبت کرد، به این معنی که پاسخ اکسید با آنتروپی بالا به ترتیب تقریبا 12.6 برابر و 7.9 برابر بیشتر بود. پاسخ سنسور اندازه گیری میزان تغییر مقاومت الکتریکی در هنگام قرار گرفتن سنسور در معرض گاز هدف است. این مقادیر نیز در مقاله منتشر شده گزارش شده است.

این حسگر پس از حذف اتانول، زمان پاسخ 3 ثانیه و زمان بازیابی 73 ثانیه داشت که نسبت به اکسیدهای مقایسه، واکنش و بازیابی سریع‌تری را نشان می‌دهد. حد تئوری تشخیص محاسبه شده از سیگنال پاسخ در غلظت های مختلف اتانول 4.8 ppb بود. این نشان‌دهنده حداقل غلظت قابل تشخیص برآورد شده از داده‌های اندازه‌گیری است و از نتیجه‌ای که در آن عملکرد سنجش مستقیما در آن غلظت تأیید شده است متمایز است.

محققان عملکرد بهبود یافته را به تغییرات در اکسیژن جذب شده روی سطح ماده و در ساختار نقص آن ردیابی کردند. این حسگر تغییرات مقاومت الکتریکی را که هنگام واکنش اکسیژن جذب شده روی سطح آن با اتانول رخ می دهد، تشخیص می دهد. اکسید با آنتروپی بالا حاوی اکسیژن جذب شده بیشتر و جای خالی اکسیژن بیشتری نسبت به اکسید آنتروپی پایین بود.

جای خالی اکسیژن مکان هایی در ساختار اکسیدی است که اتم های اکسیژن در آن ها از دست رفته است و بر جذب گاز و واکنش ها تأثیر می گذارد. محققان به این نتیجه رسیدند که ترکیب عناصر فلزی مختلف این ویژگی‌های سطحی را تغییر داده و باعث افزایش واکنش‌ها با اتانول می‌شود. مطالعه منتشر شده نیز افزایش اکسیژن شیمیایی جذب شده و جای خالی اکسیژن را به عنوان عوامل کلیدی در پاسخ افزایش یافته شناسایی می کند.

محققان همچنین پایداری و عملکرد طولانی مدت سنسور را در رطوبت بالا ارزیابی کردند. حسگر عملکرد سنجش اتانول خود را در طول یک ارزیابی پایداری شش ماهه حفظ کرد و قادر به سنجش مکرر حتی در شرایط رطوبت نسبی 90٪ بود. با این حال، از آنجایی که دمای عملیاتی بهینه آن 300 درجه سانتی گراد است، تحقیقات بیشتری برای کاربردهای عملی برای کاهش دمای عملیاتی و بهبود انتخاب پذیری آن در تشخیص اتانول از سایر گازها و تحمل آن در برابر تغییرات رطوبت مورد نیاز خواهد بود.

این مطالعه از این جهت حائز اهمیت است که رابطه بین ترکیب عنصری، خواص ساختاری و سطحی حاصل از مواد و عملکرد حسگر گاز را تحلیل می‌کند، در حالی که جهتی را برای طراحی مواد حسگر پیشنهاد می‌کند که صرفا بر کاتالیزورهای فلزات نجیب متکی نیست. انتظار می رود این یافته ها به توسعه مواد حسگر گاز مناسب برای کاربردهایی از جمله مدیریت کیفیت هوای داخلی و نظارت بر مواد غذایی و صنعتی کمک کند.

جانگ که سرپرستی این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: "این مطالعه تایید کرد که مهندسی آنتروپی، از طریق کنترل ترکیبات چند عنصر، می تواند واکنش های سطحی مواد اکسیدی را تغییر داده و عملکرد سنجش اتانول را بهبود بخشد."

در ادامه، ما قصد داریم ترکیب‌های عنصری متنوعی را بررسی کنیم تا موادی تولید کنیم که به طور انتخابی نه تنها به اتانول، بلکه به انواع گازها نیز پاسخ دهند و بر این اساس تحقیقات خود را به سمت حسگرهایی که قادر به تشخیص گازهای مختلف هستند، گسترش دهیم.

Gi Baek Nam و Jin Ho Seo، M.S./Ph.D. دانشجویان دپارتمان علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ملی سئول، به عنوان اولین نویسنده در این مطالعه شرکت کردند. Nam سنتز و خواص مواد معدنی، از جمله اکسیدهای فلزی و سولفیدها را مطالعه می کند، در حالی که Seo سنتز مواد با آنتروپی بالا و کاربرد آنها به عنوان کاتالیزور برای تجزیه آب را مطالعه می کند. هر دو محقق قصد دارند پس از اخذ Ph.D به عنوان محقق پسادکتری به تحقیقات مرتبط خود ادامه دهند. درجه

Gi Baek Nam و همکاران، یک استراتژی با آنتروپی بالا برای سنسورهای اتانول شیمیایی مقاومتی با پاسخ بسیار سریع و انتخابی، علم پیشرفته (2026). DOI: 10.1002/advs.75724

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →