Cazando el hidrógeno oculto: novedosas nano hojas para detectar fugas de gas de hidrógeno

En los últimos años, el hidrógeno (H2) ha surgido como la mejor opción de energía limpia en nuestra búsqueda de un combustible alternativo para mitigar los problemas ambientales como el calentamiento global. Aclamadas como "baterías del futuro", las células de combustible de H2 se promocionan como el combustible para la generación futura. Aunque todo esto está muy bien, hay un gran problema con el H2: como cualquier otro combustible gaseoso, es altamente explosivo. Una pequeña chispa puede provocar una explosión en presencia de tan sólo un 4% de H2 filtrado al aire, como ocurrió en mayo de 2019 en Gangneung, Corea, y en junio del mismo año en la estación de combustible Uno-X en Noruega. Por lo tanto, la seguridad es una preocupación importante en el manejo del gas H2; esto garantiza la detección de incluso las más pequeñas fugas de H2 para evitar accidentes.

Si bien se dispone de detectores para fugas de H2, su funcionamiento requiere altas temperaturas (como los sensores de gas basados en semiconductores de óxido metálico), lo que los hace caros, de corta duración y peligrosos para la detección de un gas explosivo o inflamable. También sufren de baja sensibilidad debido a la falta de suficientes sitios activos para la detección de gases (como las "nanohojas" de óxido de zinc [ZnO]). Los científicos, por lo tanto, han estado ocupados desarrollando sensores que puedan superar estas limitaciones.

En un nuevo estudio publicado en Sensores y Actuadores: B. Chemical, un equipo de científicos de la Universidad Nacional de Incheon (Corea), ha ideado un novedoso diseño de sensor de H2 a temperatura ambiente que utiliza hojas "2D" de óxido de zinc de espesor nanométrico rellenas de agujeros de tamaño nanométrico y que se denomina acertadamente "nanohojas Holey 2D". "Las nanohojas ordinarias de ZnO tienen una baja sensibilidad debido a la auto-apilamiento que bloquea los sitios activos para la detección de gases. Las nanohojas Holey 2D sortean este problema con los agujeros que abren las superficies activas bloqueadas", explica el Dr. Manjeet Kumar, que dirigió el estudio.

Los científicos "trataron" térmicamente las nanohojas de ZnO a tres temperaturas diferentes (400°C, 600°C y 800°C) para ajustar la densidad de los agujeros, fabricaron dispositivos sensores de H2 a partir de estas muestras y registraron su respuesta a diferentes niveles de H2_y otros gases a una concentración de gas de 100 ppm (partes por millón) a temperatura ambiente. El equipo también investigó la validez de la "teoría de la metalización", que sugiere que el mecanismo de detección subyacente se debe a una transición de semiconductor a metal, en la que el ZnO se "reduce" a metal Zn bajo la exposición a gas H2.

Encontraron que la nano lámina de ZnO tratada a 400°C (ZnO@400), con el máximo número de agujeros, mostró la mayor respuesta hacia 100 ppm de H2, junto con el tiempo de respuesta más rápido de ~9 s. Además, el ZnO@400 también mostró una alta repetibilidad y estabilidad de aproximadamente 97-99% después de 45 días. Finalmente, encontraron que las pruebas experimentales apoyaban la teoría de la metalización.

Estos resultados sugieren fuertemente que las nano hojas de ZnO en 2D holey poseen notables propiedades físicas/químicas que pueden potencialmente revolucionar el desempeño de la detección de gas en el futuro. El Dr. Kumar conjetura, "Los sensores de H2 a temperatura ambiente jugarán un papel clave en la tecnología del futuro, especialmente con la aparición del Internet de las Cosas. Nuestros sensores Holey 2D basados en ZnO permitirán la implementación de innovadores dispositivos de detección de H2 que pueden detectar fugas de gas en una etapa temprana y pueden integrarse con teléfonos inteligentes y relojes inteligentes".

Con la visión de un brillante futuro alimentado por H2 por delante, esta tecnología va muy lejos para asegurar un camino "seguro" para materializar esta visión!