MAY 16, 2024
by Massachusetts Institute of Technology
大多数用于检测工业或家庭环境中有毒气体的系统只能使用一次，或者最多使用几次。现在，麻省理工学院的研究人员开发出了一种可以低成本持续监测这些气体存在的检测器。
新系统结合了两种现有技术，以一种既保留了各自优点又避免了各自局限性的方式将它们结合在一起。该团队使用了一种称为金属有机骨架（MOF）的材料，这种材料对微量气体高度敏感，但性能会迅速下降，并将其与一种非常耐用且更易于加工但敏感度更低的聚合物材料结合在一起。
该研究结果发表在《先进材料》杂志上，由麻省理工学院教授 Aristide Gumyusenge、Mircea Dinca、Heather Kulik 和 Jesus del Alamo、研究生 Heejung Roh 以及博士后 Dong-Ha Kim、Yeongsu Cho 和 Young-Moo Jo 撰写。
MOF 多孔且表面积大，其成分多种多样。有些可能是绝缘体，但用于这项工作的 MOF 具有高导电性。由于其海绵状结构，它们能够有效捕获各种气体分子，而且其孔径大小可以定制，使其能够选择性地捕获特定种类的气体。
“如果你将它们用作传感器，你就可以识别出气体是否存在，以及它是否对 MOF 的电阻率有影响，”该论文的资深作者、Merton C. Flemings 职业发展材料科学与工程助理教授 Gumyusenge 说。
这些材料用作气体探测器的缺点是它们很容易饱和，然后就无法再检测和量化新的输入。“这不是你想要的。你想要的是能够检测和重复使用，”Gumyusenge 说。“所以，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性。”
该团队使用了一种导电聚合物，Gumyusenge 和他的同事之前曾证明这种聚合物可以对气体作出反应，而无需永久地与气体结合。“这种聚合物，即使没有MOF 那样高的表面积，至少也能提供这种识别和释放类型的现象，”他说。
该团队将聚合物与粉末状的 MOF 材料混合在液体溶液中，然后将混合物沉积在基底上，干燥后形成均匀的薄涂层。他说，通过以一比一的比例结合具有快速检测能力的聚合物和更灵敏的 MOF，“我们突然得到了一种既具有 MOF 的高灵敏度又具有聚合物存在的可逆性的传感器。”
当气体分子暂时被困在材料中时，材料的电阻会发生变化。只需连接一个欧姆表来跟踪电阻随时间的变化，就可以连续监测这些电阻变化。Gumyusenge 和他的学生在一个小型实验室规模的装置中展示了这种复合材料检测二氧化氮（一种由多种燃烧产生的有毒气体）的能力。经过 100 次检测后，该材料仍保持其基线性能，误差幅度约为 5% 到 10%，证明了其长期使用潜力。
此外，研究小组报告称，这种材料的灵敏度远高于目前大多数用于检测二氧化氮的探测器。这种气体通常在使用炉灶后被检测到。而且，由于这种气体最近与美国的许多哮喘病例有关，因此在低浓度下进行可靠的检测非常重要。研究小组证明，这种新型复合材料可以可逆地检测浓度低至百万分之二的气体。
虽然他们的演示是专门针对二氧化氮的，但 Gumyusenge 表示，“我们绝对可以调整化学方法以针对其他挥发性分子”，只要它们是小的极性分析物，“而这些分析物往往是大多数有毒气体”。
除了与简单的手持式探测器或烟雾报警器类型的设备兼容之外，该材料的一个优点是，聚合物可以将其沉积为极薄的均匀薄膜，而不像常规的MOF，它们通常是低效的粉末形式。
由于薄膜非常薄，所需的材料很少，生产材料成本可能很低；加工方法可能是工业涂层工艺的典型方法。“因此，限制因素可能是扩大聚合物的合成规模，我们一直在少量合成聚合物，”Gumyusenge 说。
“下一步将是在现实环境中评估这些，”他说。例如，这种材料可以作为烟囱或排气管的涂层，通过连接的电阻监测设备的读数连续监测气体。在这种情况下，他说，“我们需要进行测试，以检查我们是否真正将其与我们可能在实验室环境中忽略的其他潜在污染物区分开来。让我们将传感器放在现实世界中，看看它们的表现如何。”
