15.12.2020 - Incheon National University

Neue löchrige Nanosheets zur Erkennung von Wasserstoffgas-Lecks

Wissenschaftler entwickeln Wasserstoffsensoren mit löchrigen Zinkoxid-"Nanosheets", um Unfälle durch Wasserstoffgas-Lecks zu verhindern

In den letzten Jahren hat sich Wasserstoff (H2) als die beste Option für saubere Energie in unserem Streben nach einem alternativen Brennstoff zur Eindämmung von Umweltproblemen wie der globalen Erwärmung herausgestellt. H2-Brennstoffzellen werden als "Batterien der Zukunft" bezeichnet und als Brennstoff für die zukünftige Generation angepriesen. Während dies alles schön und gut ist, gibt es bei H2 ein großes Problem: Wie jeder andere Gasbrennstoff ist er hochexplosiv. Schon ein kleiner Funke kann eine Explosion auslösen, wenn nur 4% des H2 in die Luft entweichen, wie dies im Mai 2019 in Gangneung, Korea, und im Juni desselben Jahres an der Uno-X-Tankstelle in Norwegen geschah. Daher ist die Sicherheit beim Umgang mit H2-Gas ein wichtiges Anliegen; dies rechtfertigt die Erkennung selbst kleinster H2-Leckagen, um Unfälle zu vermeiden.

Es sind zwar Detektoren für H2-Lecks verfügbar, aber sie benötigen zum Betrieb hohe Temperaturen (wie die auf Metalloxidhalbleitern basierenden Gassensoren), was sie teuer, kurzlebig und gefährlich macht, wenn sie zum Aufspüren eines explosiven oder brennbaren Gases verwendet werden. Sie leiden auch unter einer geringen Empfindlichkeit, da es nicht genügend aktive Stellen für die Gasdetektion gibt (wie z.B. die "Nanosheets" aus Zinkoxid [ZnO]). Wissenschaftler waren daher damit beschäftigt, Sensoren zu entwickeln, die diese Einschränkungen überwinden können.

In einer neuen Studie hat ein Team von Wissenschaftlern der Incheon National University, Korea, ein neuartiges H2-Sensordesign für Raumtemperatur entwickelt, bei dem nanometerdünne "2D"-Zinkoxid-Nanosheets verwendet werden, die mit nanometergroßen Löchern gefüllt sind. "Gewöhnliche ZnO-Nanosheets haben eine geringe Empfindlichkeit aufgrund der Selbstumstapelung, die die aktiven Stellen für die Gasdetektion blockiert. Lochförmige 2D-Nanosheets umgehen dieses Problem, indem die Löcher blockierte aktive Oberflächen öffnen", erklärt Dr. Manjeet Kumar, der die Studie leitete.

Die Wissenschaftler "behandelten" ZnO-Nanosheets bei drei verschiedenen Temperaturen (400°C, 600°C und 800°C) thermisch, um ihre Lochdichte abzustimmen, stellten aus diesen Proben H2-Sensorvorrichtungen her und zeichneten ihre Reaktion auf verschiedene Niveaus von H2 und anderen Gasen bei einer Gaskonzentration von 100 ppm (Teile pro Million) bei Raumtemperatur auf. Das Team untersuchte auch die Gültigkeit der "Metallisierungstheorie", die vermuten lässt, dass der zugrundeliegende Sensormechanismus auf einen Halbleiter-Metall-Übergang zurückzuführen ist, bei dem ZnO unter Einwirkung von H2-Gas zu Zn-Metall "reduziert" wird.

Sie fanden heraus, dass das bei 400°C behandelte ZnO-Nanosheets (ZnO@400) mit der maximalen Anzahl von Löchern die höchste Reaktion auf 100 ppm H2 zeigte, zusammen mit der schnellsten Reaktionszeit von ~9s. Darüber hinaus zeigte ZnO@400 auch eine hohe Wiederholbarkeit und Stabilität von etwa 97-99% nach 45 Tagen. Schließlich fanden sie die experimentellen Beweise für die Unterstützung der Metallisierungstheorie.

Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass löchrige 2D-ZnO-Nanosheets bemerkenswerte physikalische/chemische Eigenschaften besitzen, die die Gassensorleistung in Zukunft möglicherweise revolutionieren können. Dr. Kumar vermutet: "Raumtemperatur-H2-Sensoren werden in der zukünftigen Technologie eine Schlüsselrolle spielen, insbesondere mit dem Aufkommen des Internet der Dinge. Unsere löchrigen 2D-Sensoren auf ZnO-Basis werden die Implementierung innovativer H2-Erkennungsgeräte ermöglichen, die Gaslecks frühzeitig erkennen und in Smartphones und Smartwatches integriert werden können", so Dr. Kumar.

Mit der Vision einer strahlenden, H2-getriebenen Zukunft vor Augen geht diese Technologie einen langen Weg, um einen "sicheren" Weg zur Verwirklichung dieser Vision zu gewährleisten!

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