Image représentative de cet article publié dans ACS Nano le 26 septembre. Crédit :KAIST
Une équipe de KAIST a conçu un capteur d'hydrogène ultra-rapide capable de détecter des niveaux d'hydrogène gazeux inférieurs à 1 % en moins de sept secondes. Le capteur peut également détecter des centaines de parties par million de niveaux d'hydrogène gazeux en 60 secondes à température ambiante.
Un groupe de recherche dirigé par le professeur Il-Doo Kim du département de science et génie des matériaux du KAIST, en collaboration avec le professeur Reginald M. Penner de l'Université de Californie-Irvine, a développé un système de détection ultra-rapide d'hydrogène gazeux basé sur un réseau de nanofils de palladium (Pd) recouvert d'une structure métal-organique (MOF).
L'hydrogène est considéré comme une source d'énergie écologique de nouvelle génération. Cependant, c'est un gaz inflammable qui peut exploser même avec une petite étincelle. Pour la sécurité, la limite inférieure d'explosivité pour l'hydrogène gazeux est de 4 % en volume, de sorte que les capteurs devraient pouvoir détecter rapidement la molécule d'hydrogène incolore et inodore. L'importance des capteurs capables de détecter rapidement l'hydrogène gazeux incolore et inodore a été soulignée dans les récentes directives publiées par le département américain de l'Énergie. Selon les directives, les capteurs d'hydrogène doivent détecter 1 % en volume d'hydrogène dans l'air en moins de 60 secondes pour des temps de réponse et de récupération adéquats.
Pour surmonter les limites des capteurs d'hydrogène à base de Pd, l'équipe de recherche a introduit une couche MOF au-dessus d'un réseau de nanofils de Pd. Des nanofils de Pd à motifs lithographiques ont été simplement recouverts d'une couche de charpente de zéolite imidazole à base de Zn (ZIF-8) composée d'ions Zn et de ligands organiques. Le film ZIF-8 est facilement enduit sur les nanofils de Pd par simple trempage (pendant 2 à 6 heures) dans une solution de méthanol comprenant du Zn (NO3) 2·6H2O et du 2-méthylimidazole.
Images de capteurs d'hydrogène à base de nanofils de Pd, image en microscopie électronique à balayage d'un nanofil de Pd recouvert d'une couche d'ossature métallo-organique, et les propriétés de détection d'hydrogène des capteurs. Crédit :KAIST
Le ZIF-8 synthétisé étant un matériau hautement poreux composé d'un certain nombre de micropores de 0,34 nm et 1,16 nm, l'hydrogène gazeux d'un diamètre cinétique de 0,289 nm peut facilement pénétrer à l'intérieur de la membrane ZIF-8, tandis que les grosses molécules (> 0,34 nm) sont efficacement filtrés par le filtre MOF. Ainsi, le filtre ZIF-8 sur les nanofils de Pd permet la pénétration majoritaire des molécules d'hydrogène, conduisant à l'accélération des capteurs H2 à base de Pd avec une récupération et une vitesse de réponse 20 fois plus rapides par rapport aux nanofils de Pd vierges à température ambiante.
Le professeur Kim s'attend à ce que le capteur d'hydrogène ultra-rapide puisse être utile pour la prévention des accidents d'explosion causés par la fuite d'hydrogène gazeux. En outre, il s'attend à ce que d'autres gaz nocifs dans l'air puissent être détectés avec précision grâce à une nanofiltration efficace en utilisant une variété de couches MOF.
Illustration schématique d'une charpente métallo-organique (MOF). Le MOF, constitué d'ions métalliques et de ligands organiques, est un matériau hautement poreux avec une surface ultra-élevée. Les différentes structures des MOF peuvent être synthétisées en fonction des types d'ions métalliques et de ligands organiques. Crédit :KAIST
Cette étude a été réalisée par Ph.D. candidat Won-Tae Koo (premier auteur), Professeur Kim (auteur co-correspondant), et le professeur Penner (co-auteur correspondant). L'étude a été publiée dans l'édition en ligne de Matériaux et interfaces appliqués ACS , comme image de couverture du numéro de septembre.
