Novi senzorski materijal za detekciju vodika

Detekcija vodika ključna je za sigurnost u industrijskim i energetskim postrojenjima, posebice u svijetu koji se sve više okreće čistim energetskim rješenjima. Za takvim rješenjima traga i tim istraživača s Instituta Ruđer Bošković (IRB) i Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS).

Oni su u suradnji sa slovenskim i mađarskim kolegama razvili novi, izuzetno efikasan materijal koji može učinkovito detektirati vodik. Ovaj materijal još bolje radi kada je zagrijan, što ga čini korisnim senzorom u nadzoru razina vodika u različitim industrijskim i energetskim okruženjima.

Vodik, iako obećavajući izvor čiste energije, je bezbojan i bez mirisa, što ga čini teškim za otkrivanje, a kontrola i detekcija koncentracije vodika u zraku je ključna zbog njegove visoke zapaljivosti.

Istražujući kako riješiti ovakav izazov na ekološki i ekonomski prihvatljiv način, tim znanstvenika iz Laboratorija za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala na IRB-u okrenuo se malenom, ali moćnom savezniku, platini.

Naime, istraživači su promatrali koliko dobro različiti materijali mogu detektirati vodik. Integrirajući male količine platine s posebnim oblikom željezova oksida poznatim kao hematit, istraživači su stvorili materijal s izvanrednim svojstvima. Ovu smjesu dobili su postupkom koji se naziva kuglično mljevenje, tijekom kojeg se materijali međusobno melju vrlo snažno kako bi se dobro izmiješali, a bez korištenja kemijskih otapala štetnih za okoliš.

Kako bi testirali materijal pomiješali su smjesu platina-željezova oksida s etanolom i stavili kapi te smjese na stakalce na kojima su bile posebne šare elektroda. Zatim su nizove takvih uzoraka izložili različitim količinama vodika na različitim temperaturama u rasponu od sobne do oko 280 stupnjeva Celzijusa.

Nakon miješanja željezova oksida s platinom, uz pomoć Mössbauerove spektroskopije, potvrdili su da je željezov oksid još uvijek u obliku hematita, specifične vrste željezovog oksida. Također su upotrijebili Ramanovu spektroskopiju kako bi mogli pratiti što se događa tijekom mljevenja sastojaka u smjesu, a koja je pokazala da je željezov oksid bio malo opterećen procesom miješanja.

Otkrili su da se električni otpor ovih materijala smanjuje kako se povećava koncentracija vodika, čak i na sobnoj temperaturi. To znači da je materijal osjetljiv na vodik i može otkriti njegovu prisutnost. Ono što je važno, primijetili su da je potrebno umiješati barem malo platine (1%) kako bi senzor ispravno radio. Platina je inače skup metal, ali dodavanje više od 1% platine nije dalo veću učinkovitost senzora. Činjenica da je dovoljno svega malo platine je vrlo ohrabrujući rezultat u vidu ekonomske prihvatljivosti ovakvih senzora. 

''Materijal koji smo razvili i opisali u radu objavljenom u časopisu Sensors and Actuators A: Physical temelji se na upotrebi nanočestica platine i željezova oksida (hematita), koje zajedno djeluju poput spužve za vodik. Ovakav materijal djeluje kao dovoljno osjetljiv senzor koji može detektirati izuzetno niske koncentracije vodika i to već na sobnoj temperaturi. Osim toga, reagira brzo, a njegova učinkovitost poboljšava se na višim temperaturama.'' objašnjava dr. sc. Nikola Baran, dopisni autor na radu.

Novi materijal pokazuje potencijal kao dobar senzor za vodik, posebno zato što dobro funkcionira u širokom rasponu koncentracija vodika i na različitim temperaturama. Prisutnost platine pomaže materijalu da na detektibilan način stupi u interakciju s vodikom, a taj je proces reverzibilan, što znači da se senzor može više puta koristiti.

U praktičnom smislu, to znači da ovaj materijal može brzo i pouzdano otkriti curenja ili promjene u koncentracijama vodika, osiguravajući da se sigurnosne mjere mogu brzo provesti.

Istraživački tim čine uz dopisnog autora dr. sc. Nikolu Barana, doktorandica Monika Šoltić te dr. sc. Marijan Gotić i dr. sc. Mile Ivanda iz Laboratorija za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala na IRB-u, te dr. sc. Zoltán Klencsár iz Centra za energetska istraživanja u Budimpešti i prof. dr. sc. Goran Dražić iz Nacionalnog instituta za kemiju u Ljubljani.

Istraživanje je  financirano u okviru projekata Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS), Istraživačka jedinica Novi funkcionalni materijali (voditelj M. Ivanda) i HRZZ projekta "Platinum decorated iron tin oxide solid solutions for hydrogen gas sensing" IP-2019-04-1195 (voditelj M. Gotić) Dodatna financijska potpora pružena je od Mađarskog nacionalnog ureda za istraživanje, razvoj i inovacije (NKFIH).