Формальдегид — это химическое вещество, которое не имеет цвета и запаха. Оно присутствует во многих бытовых товарах, таких как чистящие средства, свечи, детские кроватки и косметика. При концентрации в воздухе выше 0,1 части на миллион это вещество может представлять опасность для здоровья человека.
Доступный мониторинг качества воздуха в помещениях
Чтобы сделать мониторинг качества воздуха в помещениях более доступным, исследователи из Университета Карнеги-Меллона разработали недорогой и долговечный датчик формальдегида. Уникальное полимерное покрытие на датчике на основе MXene не только продлевает его срок службы на 200%, но и позволяет ему регенерировать, когда его производительность начинает снижаться.
MXene: класс соединений с потенциалом хранения энергии и обнаружения газов
MXene — это класс соединений, которые показали многообещающие результаты в хранении энергии и обнаружении газов благодаря своим превосходным электрическим свойствам и универсальному химическому составу поверхности. Несмотря на эти преимущества, MXenes известны своей высокой восприимчивостью к окислению, особенно при воздействии воздуха и влажности, что создаёт серьёзные проблемы для мониторов качества воздуха на основе MXene.
Новое исследование решает эту проблему
Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Science Advances, преодолевает эту проблему путём инкапсуляции MXene в полимерное покрытие. Используя метод химического осаждения из газовой фазы, команда исследователей во главе с Рией Джайан, профессором машиностроения, закачивает испаренные прекурсорные материалы в вакуумную камеру, где находится датчик MXene. Горячие газы полимеризуются и образуют нанопокрытие на холодном датчике, подобно тому как конденсат оседает на внешнем стекле холодного стакана в жаркий день.
Без полимерного покрытия датчик MXene работал чуть более двух месяцев, но после нанесения полимерного слоя датчик проработал более пяти месяцев.
Швета Сунил Кумар, первый автор исследовательской работы и кандидат наук в области машиностроения, заметила нечто неожиданное в период наблюдения:
«Мы обнаружили, что наш полимерный слой также обеспечивает химическую реакцию, которая позволяет датчику обнаруживать более низкие уровни формальдегида в воздухе. Поскольку образовалась новая молекула, сделавшая датчик более чувствительным, мы начали задаваться вопросом, может ли создание большего количества таких молекул при снижении производительности датчика помочь ему регенерировать», — объяснила Кумар.
И действительно, команда обнаружила, что путём введения влажности в датчик в конце его срока службы он восстанавливает около 90% своей чувствительности.
«Слои полимера, которые мы синтезировали, являются диэлектрическими и обладают высокой изоляцией, действуя как эффективные структурные барьеры», — объяснила Джайан. «Это делает наши датчики стабильными и устойчивыми».
Моделирование, проведённое Джерри Ваном, доцентом кафедры гражданского и экологического инжиниринга, дополнительно доказало эффективность датчиков. Протестировав, как быстро большое количество различных молекул может проходить через слой, команда подтвердила, что полимерный слой быстро замедляет проникновение кислорода и влаги.
Джайан уверена, что эти материалы могут быть использованы в других устройствах для увеличения срока службы и производительности. Она в настоящее время разрабатывает аналогичные технологии для продления срока службы и безопасности батарей.
Альберт Престо, директор Центра исследований атмосферных частиц в Университете Карнеги-Меллона и соавтор статьи, считает, что эта технология может сделать датчики качества воздуха в помещениях более универсальными. Датчик легко подключается к мобильным телефонам или устройствам «умного дома», и, по мнению Престо, при дальнейшем развитии датчики однажды можно будет наносить на стены или вшивать в одежду для постоянного мониторинга.
«Качество воздуха в помещениях часто упускается из виду, — сказал он. — Мы живём в мире, где много пластика, и это имеет последствия. Мы хотим лучше информировать людей о загрязнителях в помещениях, чтобы они могли принимать обоснованные решения. Только тогда мы сможем улучшить качество воздуха в помещениях и устранить связанные с этим риски для здоровья».
Предоставлено Университетом Карнеги-Меллона, кафедра машиностроения.