Sciencemag.cz
Doporučujeme
S rostoucí výrobou, používáním a přepravou vodíku („vodíková ekonomika“) se zvyšují i obavy ze souvisejících bezpečnostních rizik. Vodík je vysoce hořlavý již při 4% koncentraci a je bez zápachu a barvy, takže je obtížné jeho únik odhalit. Yutaka Majima z Institute of Science Tokyo a jeho kolegové proto vyvinuli senzor, který detekuje vodík i v ultranízkých koncentracích a s velmi krátkou dobou odezvy.
Základem systému je polyktystalický CuO v podobě speciálních nanodrátků. Vše je umístěno na křemíkovém substrátu (SiO2/Si) s platinovými/titanovými elektrodami. Nanodrátky oxidu měďnatého navíc obsahují dutinky a je třeba je vyrobit novým postupem – uvádí se elektronová litografie a dvoustupňová oxidace mědi, kdy první fází je žíhání mědi v prostředí bohatém na vodík a ve druhém stupni se provede pomalá oxidace na suchém vzduchu. Během tohoto procesu atomy mědi difundují ven a reagují s kyslíkem, čímž se vytvářejí dutiny, které zvětšují povrch nanodrátků a poskytují více aktivních míst pro další reakce s plyny.
Při vystavení plynnému vodíku senzor funguje na základě detekce změn elektrického odporu CuO. Na vzduchu se molekuly kyslíku vážou na povrch nanodrátků a vytvářejí kyslíkové ionty (O₂-, O-, O₂ -2), které indukují vrstvu kladných nosičů náboje (děr) v blízkosti povrchu. Při detekci vodíku dochází k jeho reakci s kyslíkovými ionty na povrchu CuO za vzniku vody, která snižuje koncentraci děr. V důsledku toho se nanodrátky stávají méně vodivými. Měřením nárůstu odporu může senzor zjistit přítomnost a koncentraci plynného vodíku. Citlivost detekce dosahuje vynikajících 5 ppb (5 částic z miliardy). Na rozdíl od řady jiných senzorů vodíku je tento materiál odolný proti vlhkosti a detekce je díky rychlosti reakce schopen už za 7 sekund.
Výzkumníci dále zvýšili výkonnost senzoru zmenšením (nano)vzdálenosti mezi elektrodami. Menší mezera vytváří silnější elektrické pole, což urychluje pohyb nosičů náboje a zrychluje odezvu a zotavení senzoru. Při velikosti mezery 33 nm senzor detekoval 1 000 ppm H₂ za pouhých 5 sekund a do výchozích podmínek se vrátil za 10 sekund.
Muqing Zhao et al, Nano‐Patterned CuO Nanowire Nanogap Hydrogen Gas Sensor with Voids, Advanced Functional Materials (2024). DOI: 10.1002/adfm.202415971
Zdroj: Institute of Science Tokyo / Phys.org
