基于超粒子的“氣致變色”傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自德國埃爾朗根—紐倫堡大學(xué)（Erlangen-Nürnberg，縮寫：FAU）的Karl Mandel教授研究團(tuán)隊開發(fā)了一款新型氫傳感器，可通過簡單的顏色變化來判斷是否存在具有潛在危險的氫氣。該微米級傳感器裝置使用了所謂的超粒子（supraparticles），當(dāng)氫氣存在時會從紫色變?yōu)榉奂t色，利用其可以更容易地檢測和定位燃?xì)庹尽l(fā)電機(jī)和管道的氫泄漏，有助于防止氫氣爆炸。

氫氣作為一種可再生環(huán)保燃料，在能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮著重要的作用。然而，它在空氣中極其易燃易爆，并且其無色無味，難以被發(fā)現(xiàn)。目前，用于檢測氫氣的方式有很多，例如，光學(xué)式氫傳感器往往通過納米天線、光源、光纖和電子控制設(shè)備將光信號轉(zhuǎn)換成可讀響應(yīng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而“氣致變色”氫傳感器通?；谔囟ɑ牡谋∧ぶ瞥桑哂幸讓?dǎo)致脆弱的多層結(jié)構(gòu)。

用于氫指示的超粒子（supraparticles）

獨特的雙色變化

Karl Mandel教授團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計策略，制備出一款可替代傳統(tǒng)檢測方式的氫傳感器，該傳感器的氫指示劑包含三種成分：二氧化硅納米粒子、金鈀（Au-Pd）納米粒子和指示染料刃天青（resazurin）。研究人員將該三種成分混合在水分散液中，霧化形成小液滴，隨后將其引入加熱室，進(jìn)行噴霧干燥。Karl Mandel教授團(tuán)隊的研究人員Jakob Reichstein解釋道，當(dāng)溶劑蒸發(fā)時，納米粒子和刃天青分子被迫結(jié)合在一起，形成了一種介孔超分子框架的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以讓氫氣等氣體進(jìn)入。

氫指示超粒子的設(shè)計、制備和形態(tài)表征

當(dāng)該結(jié)構(gòu)中的粒子從大氣中吸收水分時，它們就形成了一個三相系統(tǒng)，使得刃天青分子可以自由傳播。Jakob Reichstein稱，實際上，水充當(dāng)了運(yùn)輸介質(zhì)，將刃天青染料分子引向催化活性金鈀納米粒子。在氫氣存在時，刃天青被還原（即它吸收了一個氫原子），形成一種叫試鹵靈（resorufin）的化學(xué)物質(zhì)。如果氫仍存在（持續(xù)發(fā)生泄漏時），則會繼續(xù)產(chǎn)生還原反應(yīng)，將鹵靈轉(zhuǎn)化為氫化試鹵靈（hydroresorufin）。

“在氫誘導(dǎo)刃天青還原的過程中，會伴隨著超粒子顏色的明顯變化。第一步是不可逆地從紫色變?yōu)榉奂t色，然后可逆地變?yōu)闊o色狀態(tài)。”Jakob Reichstein繼續(xù)解釋道，“這些變化是肉眼可見的?！?/p>

超粒子變色過程示意圖

構(gòu)造簡單，易于應(yīng)用

該研究團(tuán)隊制備的氫指示超粒子有多種潛在應(yīng)用。該顆粒直徑在1-10μm之間，小到可以作為添加劑或顏料摻入各種材料中，包括管道涂層和安全服。利用該氫指示超粒子，可以更容易地檢測氫氣以及精確定位泄漏點。

該項研究成果已發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊，研究人員計劃進(jìn)一步優(yōu)化該超粒子，以使其能夠“充分發(fā)揮潛力，在現(xiàn)實生活中得以應(yīng)用，從而為更安全的氫經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)”。Jakob Reichstein總結(jié)道：“目前，我們正在研究和提高超粒子的靈敏度，以及它們的長期穩(wěn)定性，同時，我們還在測試涂料中超粒子的氣致變色功能?！?/p>

審核編輯 ：李倩