MAY 16, 2024
by Massachusetts Institute of Technology
大多數用於檢測工業或家庭環境中有毒氣體的係統隻能使用一次，或者最多使用幾次。現在，麻省理工學院的研究人員開發出了一種可以低成本持續監測這些氣體存在的檢測器。
新係統結合了兩種現有技術，以一種既保留了各自優點又避免了各自局限性的方式將它們結合在一起。該團隊使用了一種稱為金屬有機骨架（MOF）的材料，這種材料對微量氣體高度敏感，但性能會迅速下降，並將其與一種非常耐用且更易於加工但敏感度更低的聚合物材料結合在一起。
該研究結果發表在《先進材料》雜誌上，由麻省理工學院教授 Aristide Gumyusenge、Mircea Dinca、Heather Kulik 和 Jesus del Alamo、研究生 Heejung Roh 以及博士後 Dong-Ha Kim、Yeongsu Cho 和 Young-Moo Jo 撰寫。
MOF 多孔且表麵積大，其成分多種多樣。有些可能是絕緣體，但用於這項工作的 MOF 具有高導電性。由於其海綿狀結構，它們能夠有效捕獲各種氣體分子，而且其孔徑大小可以定製，使其能夠選擇性地捕獲特定種類的氣體。
“如果你將它們用作傳感器，你就可以識別出氣體是否存在，以及它是否對 MOF 的電阻率有影響，”該論文的資深作者、Merton C. Flemings 職業發展材料科學與工程助理教授 Gumyusenge 說。
這些材料用作氣體探測器的缺點是它們很容易飽和，然後就無法再檢測和量化新的輸入。“這不是你想要的。你想要的是能夠檢測和重複使用，”Gumyusenge 說。“所以，我們決定使用聚合物複合材料來實現這種可逆性。”
該團隊使用了一種導電聚合物，Gumyusenge 和他的同事之前曾證明這種聚合物可以對氣體作出反應，而無需永久地與氣體結合。“這種聚合物，即使沒有MOF 那樣高的表麵積，至少也能提供這種識別和釋放類型的現象，”他說。
該團隊將聚合物與粉末狀的 MOF 材料混合在液體溶液中，然後將混合物沉積在基底上，幹燥後形成均勻的薄塗層。他說，通過以一比一的比例結合具有快速檢測能力的聚合物和更靈敏的 MOF，“我們突然得到了一種既具有 MOF 的高靈敏度又具有聚合物存在的可逆性的傳感器。”
當氣體分子暫時被困在材料中時，材料的電阻會發生變化。隻需連接一個歐姆表來跟蹤電阻隨時間的變化，就可以連續監測這些電阻變化。Gumyusenge 和他的學生在一個小型實驗室規模的裝置中展示了這種複合材料檢測二氧化氮（一種由多種燃燒產生的有毒氣體）的能力。經過 100 次檢測後，該材料仍保持其基線性能，誤差幅度約為 5% 到 10%，證明了其長期使用潛力。
此外，研究小組報告稱，這種材料的靈敏度遠高於目前大多數用於檢測二氧化氮的探測器。這種氣體通常在使用爐灶後被檢測到。而且，由於這種氣體最近與美國的許多哮喘病例有關，因此在低濃度下進行可靠的檢測非常重要。研究小組證明，這種新型複合材料可以可逆地檢測濃度低至百萬分之二的氣體。
雖然他們的演示是專門針對二氧化氮的，但 Gumyusenge 表示，“我們絕對可以調整化學方法以針對其他揮發性分子”，隻要它們是小的極性分析物，“而這些分析物往往是大多數有毒氣體”。
除了與簡單的手持式探測器或煙霧報警器類型的設備兼容之外，該材料的一個優點是，聚合物可以將其沉積為極薄的均勻薄膜，而不像常規的MOF，它們通常是低效的粉末形式。
由於薄膜非常薄，所需的材料很少，生產材料成本可能很低；加工方法可能是工業塗層工藝的典型方法。“因此，限製因素可能是擴大聚合物的合成規模，我們一直在少量合成聚合物，”Gumyusenge 說。
“下一步將是在現實環境中評估這些，”他說。例如，這種材料可以作為煙囪或排氣管的塗層，通過連接的電阻監測設備的讀數連續監測氣體。在這種情況下，他說，“我們需要進行測試，以檢查我們是否真正將其與我們可能在實驗室環境中忽略的其他潛在汙染物區分開來。讓我們將傳感器放在現實世界中，看看它們的表現如何。”
