Новости химической науки > Новый композитный материал для сенсора на углекислый газ

Специалисты по химии материалов из Высшей Технической Школы Цюриха и Потсдамского Института коллоидных систем им. Макса Планка разработали новый сенсор для количественного определения диоксида углерода (CO₂).

По сравнению с существующими сенсорами новый прибор гораздо меньше, отличается более простым устройством, потребляет существенно меньшее количество энергии и действует по принципу, значительно отличающемуся от существующих. Новый сенсор состоит из недавно разработанного композитного материала, который взаимодействует с молекулами CO₂ и меняет электропроводность в зависимости от концентрации CO₂ в окружающей среде. Таким образом, сенсор из нового материала просто позволяет определять концентрацию CO₂ по измерению электрического сопротивления устройства. Рабочей основой композита для сенсора являются полимеры – тетраалкиламмонийные полиионные жидкости [poly(ionic liquid) (PIL)].

Миниатюрный сенсор, позволяющий определять содержание CO₂ – чип, покрытый тонким слоем композита полимер-наночастицы. (Фото: © Fabio Bergamin / ETH Zurich)

В последние годы полиионные жидкости интенсивно изучаются на предмет применения в различных областях, таких как источники питания или системы для хранения CO₂, известно, что эти вещества могут поглощать углекислый газ. Как отмечает один из участников исследования Кристоф Вилла (Christoph Willa), было решено выяснить – можно ли использовать способность полиионных жидкостей по поглощению диоксида углерода для получения информации о значении концентрации CO₂ в воздухе и, таким образом, разработать новый тип газового сенсора.

Ранее Вилла и его руководитель, Дорота Козьеж (Dorota Koziej), уже разработали ряд полимерных композитов, состоящих из полиионных жидкостей и неорганических наночастиц, способных взаимодействовать с CO₂.

Эксперименты с такими материалами и позволили создать композит с необходимыми свойствами – по отдельности ни полиионные жидкости, ни наночастицы не проводят электрический ток, но их комбинация в определенном соотношении приводит к значительному увеличению электропроводности.

Однако находка такого композита была не единственным фактором, приятно удивившим ученых. Еще более полезной находкой оказалась зависимость проводимости композитного материала от концентрации CO₂, наблюдавшаяся при комнатной температуре – до настоящего времени хеморезистивные материалы проявляли подобные свойства лишь при температуре в несколько сотен градусов по Цельсию, из-за чего существующие сенсоры на CO₂ из хеморезистивных материалов приходилось нагревать до высокой температуры. То обстоятельство, что для сенсора нового типа нет необходимости в его нагревании, существенно упрощает его применение.

На настоящий момент пока неясно, каким образом CO₂ в окружающей сенсор среде влияет на электропроводность композитного материала, хотя есть первые свидетельства в пользу того, что изменения в составе композита, обусловленные присутствием CO₂ сводятся к наноразмерным изменениям ориентации наночастиц в составе этого композита. Козьеж считает, что CO₂ влияет на подвижность заряженных частиц в составе материала.

Новый сенсор позволил исследователям измерять содержание CO₂ в широком диапазоне концентраций – от 0,04 объемных процентов (содержание углекислого газа в атмосфере Земли) до 0.25 объемных процентов. Исследователи предполагают, что новые портативные сенсоры на углекислый газ в будущем смогут использоваться в медицине, а также в снаряжениях аквалангистов или альпинистов-экстремалов.

Источник: Advanced Functional Materials, 2015; 25 (17): 2537 DOI: 10.1002/adfm.201500314

метки статьи: #аналитическая химия, #атмосферная химия, #нанотехнологии, #новые материалы, #химия полимеров