Nowy czujnik gazów toksycznych firmy KRISS poprawia granice wykrywalności

Newswise — Koreański Instytut Standardów i Badań Naukowych (KRIS, prezes dr Ho Seung Lee) Opracowano czujnik gazów toksycznych o najwyższej czułości na świecie. Czujnik ten może dokładnie monitorować dwutlenek azotu (NO2), toksyczny gaz w atmosferze, w temperaturze pokojowej przy niskim zużyciu energii i wyjątkowo wysokiej czułości. Można go zastosować w różnych dziedzinach, takich jak wykrywanie gazów resztkowych podczas procesu produkcji półprzewodników i badania nad katalizatorami elektrolizy.

Dwutlenek azotu powstający podczas spalania paliw kopalnych w wysokiej temperaturze i emitowany głównie przez spaliny samochodowe lub dym fabryczny, przyczynia się do zwiększonej śmiertelności z powodu zanieczyszczenia powietrza. W Korei Południowej, zgodnie z dekretem prezydenta, średnie stężenie dwutlenku azotu w powietrzu wynosi 30 części na miliard* lub mniej. Dlatego potrzebne są bardzo czułe czujniki, aby dokładnie wykrywać gazy w bardzo niskich stężeniach.
^{*ppb: części na miliard}

W ostatnim czasie wzrosło wykorzystanie toksycznych gazów, które mogą być śmiertelne dla człowieka, ze względu na rozwój gałęzi przemysłu zaawansowanych technologii, w tym produkcji półprzewodników. Choć w niektórych laboratoriach i fabrykach ze względów bezpieczeństwa zastosowano czujniki półprzewodnikowe, wyzwaniem jest ich niska czułość reakcji, przez co nie są w stanie wykryć toksycznych gazów, które mogą być nawet wyczuwalne przez ludzki nos. Aby zwiększyć czułość, ostatecznie zużywają dużo energii, ponieważ muszą pracować w wysokich temperaturach.

Nowo opracowany czujnik, półprzewodnikowy czujnik gazów toksycznych nowej generacji, oparty na zaawansowanych materiałach, charakteryzuje się znacznie lepszą wydajnością i użytecznością w porównaniu z konwencjonalnymi czujnikami. Dzięki swojej wyjątkowej czułości na reakcje chemiczne nowy czujnik może wykrywać dwutlenek azotu ze znacznie większą czułością niż wcześniej zgłaszane czujniki półprzewodnikowe – czułość 60 razy wyższa. Co więcej, nowy czujnik zużywa minimalną energię podczas pracy w temperaturze pokojowej, a zoptymalizowany proces produkcji półprzewodników umożliwia syntezę na dużych obszarach w niskich temperaturach, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji.

Kluczem do tej technologii jest nanomateriał MoS2 opracowany przez firmę KRISS. W przeciwieństwie do tradycyjnej płaskiej struktury 2D MoS2, materiał ten jest wytwarzany w strukturę 3D przypominającą gałęzie drzew, co zwiększa czułość. Oprócz swojej siły w łączeniu jednolitych materiałów na dużej powierzchni, może tworzyć trójwymiarową strukturę, dostosowując zawartość węgla w surowcu bez dodatkowych procesów.

Zespół zintegrowanych pomiarów półprzewodników firmy KRISS wykazał eksperymentalnie, że jego czujnik gazu może wykryć atmosferyczny dwutlenek azotu w stężeniach tak niskich jak 5 ppb. Obliczona granica wykrywalności czujnika wynosi 1,58 ppt**, co stanowi najwyższy poziom czułości na świecie.
^{**ppt: części na bilion}

Osiągnięcie to umożliwia precyzyjne monitorowanie atmosferycznego dwutlenku azotu przy niskim zużyciu energii. Czujnik nie tylko oszczędza czas i pieniądze, ale także zapewnia doskonałą dokładność. Ma przyczynić się do badań związanych z poprawą warunków atmosferycznych poprzez wykrywanie średniorocznych stężeń dwutlenku azotu i monitorowanie zmian w czasie rzeczywistym.

Kolejną cechą tej technologii jest możliwość regulowania zawartości węgla w surowcu już na etapie wytwarzania materiału, zmieniając w ten sposób jego właściwości elektrochemiczne. Można to wykorzystać do opracowania czujników zdolnych do wykrywania gazów innych niż dwutlenek azotu, takich jak gazy resztkowe powstające podczas procesów produkcji półprzewodników. Doskonałą reaktywność chemiczną materiału można również wykorzystać do zwiększenia wydajności katalizatorów elektrolizy do produkcji wodoru.

„Ta technologia, która przezwycięża ograniczenia tradycyjnych czujników gazu, nie tylko spełni wymogi przepisów rządowych, ale także ułatwi precyzyjne monitorowanie lokalnych warunków pogodowych” – powiedział dr Jihoon Moon, starszy badacz w zespole zintegrowanych pomiarów półprzewodników w KRISS. Będziemy w dalszym ciągu prowadzić badania, aby można było zastosować tę technologię do opracowania znacznie większej liczby czujników i wyzwalaczy gazów toksycznych, wykraczających poza monitorowanie atmosferycznego dwutlenku azotu.

###

Jako Koreański Narodowy Instytut Metrologii (NMI) założony w 1975 roku, KRISS (Koreański Instytut Badawczy ds. Standardów i Nauki) opracował technologię standardów metrologicznych i odegrał kluczową rolę w wyniesieniu kluczowych gałęzi przemysłu w Korei na poziom światowy.

Wyniki badań, wspieranych w ramach projektu podstawowego KRISS oraz Projektu Rozwoju Technologii Nanomateriałów Ministerstwa Nauki i ICT, opublikowano w sierpniowym numerze czasopisma Małe konstrukcje (IF: 15,9), prestiżowe czasopismo akademickie z zakresu inżynierii materiałowej.