12.04.2019 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

MOFs können störende Gase erkennen und sortieren

Von Astronauten und U-Booten bis hin zu Bergleuten und Rettungskräften - Menschen, die in kleinen geschlossenen Räumen arbeiten, benötigen eine gute Luftqualität, um sicher und effektiv zu arbeiten. Elektronische Sensoren, die jetzt von einem KAUST-Team entwickelt wurden, können gleichzeitig mindestens drei kritische Parameter erkennen, die für den Komfort und die Sicherheit des Menschen wichtig sind.

Diese neuen Sensoren verwenden fluorierte metallorganische Gerüste (MOFs) als Sensorschicht. MOFs sind poröse Materialien, die eine regelmäßige Anordnung von Metallatomen umfassen, die von kleinen organischen Molekülbindern zusammengehalten werden, um eine sich wiederholende käfigartige Struktur zu bilden. KAUSTs Mohamed Eddaoudi, der die beiden Studien zur Wirksamkeit des Sensors leitete, erklärt, dass MOFs durch die Veränderung der metallischen und organischen Komponenten für Anwendungen von der Gastrennung und -speicherung bis hin zur Katalyse und Sensorik abgestimmt werden können.

"Viele Menschen haben ohne Erfolg versucht, einfache, effiziente, kostengünstige SO2-, CO2- und H2O-Sensoren zu entwickeln", sagen die Forscher Mohamed Rachid Tchalala, Youssef Belmabkhout und Prashant Bhatt, alle aus Eddoudis Labor.

Der Ansatz von Eddaoudis Gruppe bestand darin, ein fluoriertes MOF zu entwickeln, das Belmabkhout und Tchalala als Sensormaterial für diese Gase getestet haben. Die Prüfung dieser hochmodernen Materialien erfolgte in Zusammenarbeit mit Khaled Nabil Salama und seinem Team.

Die erste Studie zeigt, wie der Sensor die Konzentration von Kohlendioxid und die Luftfeuchtigkeit messen kann, während die zweite Studie der gleichen fluorierten MOFs zeigt, dass sie das schädliche und korrosive Gas Schwefeldioxid nachweisen oder es sogar selektiv aus dem Rauchgas des Kraftwerks entfernen kann.

"Spuren von SO2 sind immer im Rauchgas von Fabriken und Kraftwerken vorhanden, und SO2 kann Giftstoffe enthalten, die zur Abscheidung und Speicherung von CO2 entwickelt wurden", sagen Belmabkhout und Bhatt. "AlFFIVE-1-Ni kann SO2 mit einer Affinität aufnehmen, die 66 mal höher ist als bei CO2, während es gleichzeitig eine gute Stabilität gegenüber der SO2-Exposition zeigt."

Die MOFs könnten auch mit zwei einfachen, kostengünstigen, hochempfindlichen Sensorplattformen eingesetzt werden. Quarzkristall-Mikrowaagen (QCM)-Sensoren, die mit einem dünnen Film aus entweder MOF beschichtet sind, erfassten die Massenänderung mit der Absorption von SO2 oder Wasser und CO2. Ebenso erfassten MOF-beschichtete, interdigitale Elektrodensensoren eine Änderung der elektronischen Eigenschaften durch die Absorption von Wasser und CO2.

Beide Sensorplattformen, so das Team, konnten die Feuchtigkeits- und CO2-Werte unter realen atmosphärischen Bedingungen überwachen. "Das Signal wird gegen CO2-Konzentration, Feuchtigkeit und Mischungen aus beidem kalibriert", erklärt Tchalala. Ein QCM-basierter Sensor könnte auch SO2 in der Luft mit einem Wert von nur 25 Teilen pro Million nachweisen.

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