Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Meng Gang vom Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat Polydimethylsiloxan (PDMS) bei der Erforschung von hochleistungsfähigen, feuchtigkeitsbeständigen Schwefelwasserstoff-(H2S)-Sensoren eingesetzt und damit den Weg für praktische Anwendungen geebnet von H2S-Chemiwiderständen in einer feuchten Umgebungsluftatmosphäre.
Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen Und Chemische Kommunikation.
H2S ist ein farbloses, brennbares, explosives, stark ätzendes und hochgiftiges Gas, das in halbgeschlossenen Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit weit verbreitet ist. Einige Oxide, einschließlich Delafossit, ZnO und CuO, haben eine hohe Empfindlichkeit gegenüber H2S in trockener Luft, aber Feuchtigkeit neigt dazu, die Reaktion der Sensoren zu stören. Außerdem ist H2S ein stark korrosives Gas, und seine Korrosivität nimmt mit zunehmender Luftfeuchtigkeit zu. Dies führt zu einer schnellen Korrosion und Degradation von Sensoren in Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit, was zu einer großen Herausforderung für die praktische Anwendung von Sensoren wird.
Um diese Probleme zu lösen, lagerten die Wissenschaftler eine hydrophobe und halbdurchlässige Membran aus PDMS auf dem Pt-Einzelatom-verankerten Kupfer(II)-Chromat (CuCrO2) durch das thermische Verdampfungsverfahren ab.
Zhang Ruofan, Erstautor der Studie, beschrieb die biofunktionelle Rolle von PDMS als „zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen“.
PDMS hatte eine hydrophobe Natur. Es könnte das Eindringen von Wasserdampf in die Umgebung effektiv isolieren, den Einfluss von Umgebungsfeuchtigkeit auf den Sensor abschwächen und die Langzeitstabilität des Sensors in feuchter Umgebung deutlich verbessern.
Andererseits konnten die Mikroporen in der PDMS-Membran Methylmercaptan-Moleküle effektiv blockieren, deren Durchmesser etwas größer als der von H2S war. Es fungierte als „Molekularsieb“, wodurch die Selektivität des Sensors für H2S weiter verbessert wurde.
Der feuchtigkeitsbeständige H2S-Sensor auf Basis von PDMS-beschichtetem CuCrO2 hatte eine niedrige Betriebstemperatur (100 ℃), ein hohes Ansprechverhalten (bis zu 151 für 5 ppm H2S bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit), eine hohe Selektivität und eine gute Langzeitstabilität. die einen wichtigen Grundstein für die praktische Anwendung des H2S-Sensors in der Petrochemie, im Erdgasbereich und in anderen Bereichen gelegt haben.
Mehr Informationen:
Ruofan Zhang et al, Pt-verankertes CuCrO2 für bei niedrigen Temperaturen betriebene Hochleistungs-H2S-Chemiewiderstände, ACS Angewandte Materialien und Grenzflächen (2022). DOI: 10.1021/acsami.2c00619
Ruofan Zhang et al, Bifunktionelle Rolle der PDMS-Membran beim Design feuchtigkeitstoleranter H2S-Chemiresistoren mit hoher Selektivität, Chemische Kommunikation (2023). DOI: 10.1039/D2CC05880D