תרכובות אורגניות וולטיל (VOCs) הן כימיקלים המבוססים על פחמן אשר מתרבים בקלות בטמפרטורת החדר, מה שמציב סיכונים משמעותיים לבריאות האדם והסביבה. מפליטת תעשייתית וזיהום אוויר מקורה לסימנים נשימות אבחון למחלות, היכולת לזהות VOCs במהירות ומדויקת מעולם לא הייתה יותר קריטית.

VOC Sensors

חיישנים VOC הם מכשירים אשר לזהות ולכמת תרכובות אורגניות אוויריות באוויר.הם פועלים על עקרונות שונים, כולל שינויים ב מוליכות חשמלית, תכונות אופטיות, או מסה על אינטראקציה עם מולקולות יעד.חיישנים מסורתיים המבוססים על תחמוצת מתכת או קטליטיות כבר בשימוש נרחב אך סובלים מטמפרטורות הפעלה גבוהות, גם עמידות בין תאים, ויכולת מוגבלת להבחין בין VOC שונים.

הביקוש לחיישנים מתקדמים של VOC משתרע על מספר תחומים.ב ניטור סביבתי, הם עוקבים אחר איכות האוויר באזורים עירוניים, אתרי תעשייה, חללים מקורה. בתחום הבריאות, ניתוח נשימה מציע שיטה לא פולשנית לא אבחון מצבים כגון סרטן ריאות, סוכרת ואסטמה. בהגדרות תעשייתיות, VOC מזהה דליפות של פותרים וכימיקלים מסוכנים אחרים, הגנה על עובדים ומונעת נזק סביבתי.

התפקיד של מדעי החומר ב-VOCID

מדע חומרי מספק את הבסיס לביצוע חיישן.האינטראקציה בין VOC לבין חומר חיישן קובעת פרמטרים מרכזיים כגון רגישות (הריכוז הנמוך ביותר לזיהוי),סלקטיביות (היכולת להבחין בין VOC אחד למשנהו), זמן תגובה (כמה מהר חיישן מגיב), וזמן התאוששות (כמה מהר הוא חוזר לבסיס). ההתקדמות האחרונה מתמקדת בחומרים הנדסיים ב- nanoscale כדי למקסם את השטח, ליצור אתרים ספציפיים, תכונות אלקטרוניות.

ביצועי מפתח

  • (FLT:0Sרגישות: ⁇ FLT:1) לעיתים קרובות הביעה את הגבלת הגילוי (LOD), היא מודדת את הריכוז המינימלי של VOC שניתן לזהותו באופן אמין.חומרים ממובנים יכולים להשיג LOD בטווח של מיליארדי חלקים (pb).
  • (FLT:0) , ⁇ :0) , היכולת להבדיל בין VOCs עם מבנים כימיים דומים.זה מושג באמצעות כימיה משטח מותאמים, שליטה בגודל של גודל פוירה, או שימוש במערך של חיישנים (אפים חשמליים).
  • (FLT:0)Response and Recovery Times:FreaLT:1) עבור ניטור בזמן אמת, מודעות מהירה וירידה של VOCs הם חיוניים.חומרים עם פורוזיות גבוהה ושכבות פעילות דקות מאפשרים קינטיקה מהירה.
  • (FLT:0)Stability and Lifetime: FLT:1 חיישן חייב לתפקד באופן אמין במשך חודשים או שנים תחת תנאים סביבתיים שונים (טמפרטורה, לחות, מפרה גזים).

בחירת חומרים קריטריה

בחירת החומר הנכון כרוך איזון גורמים מרובים: זיקה כימית עבור VOCs מטרה, מנגנוני ניכוי חשמליים או אופטי, קלות של ייצור, עלות והיקף.לא חומר אחד משביע את כל הדרישות, חוקרים מובילים לחקור היברידיות, מרוכבים וארכיטקטורות חדשניות.הסעיפים הבאים המפרטים את המעמדות החומריים המבטיחים ביותר כיום תחת חקירה.

חיתוך חומרים עבור רגישות מוגברת

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

מסגרות מתכת-אורגניות הן מבנים גבישיים המורכבים מעמודי מתכת המחוברים על ידי קישורים אורגניים, יצירת רשתות ⁇ גבוהות עם אזורי משטח עצומים - לעתים קרובות מעל 7,000 m2 /g. זה porosity מאפשר MOFs למודעות בכמויות גדולות של VOCs, ריכוז אותם ליד אלמנט רגישה רגישה רגישה חישה, על ידי שינוי מרכז מתכת וכימיה קישור, החוקרים יכולים להתאים את ה-Fly ל-OC לדוגמה, כגון אופטיקה, תכונות אופטיות.

מחקרים אחרונים הראו חיישנים מבוססי MOF עם LODs מתחת 1 pb עבור תרכובות כגון xylene ו toluene. integrating MOFs עם טרנסducers כגון quartz גבישים microמאזןs (QCMs), גל אקוסטי משטח (SAW) מכשירים, או transistors שדה-אפקטים (FET) נכנע, נמוך כוח חיישנים להישאר בטווח הארוך של ספקטרום: FLTS) לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, תכונות גבוהות יותר של חיישנים בטווח הקצר, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הפונקציה DLTFDFLTFD.

Graphene and Its Derivatives

Graphene, שכבת אטומית אחת של פחמן sp2-hybriated, מציגה מוליכות חשמלית יוצאת דופן, כוח מכני, יחס שטח גבוה מאוד שטח-לכול. כאשר הוא פונקציונלי עם קבוצות חמצן (פחמי גרף, GO) או מופחת כדי לשחזר מוליכות (reduced גרפן oxide, rGO), הופך פלטפורמה רגישה עבור VOC זיהוי.

יתרון מרכזי אחד של חיישנים מבוססי גרפן הוא ניתוח החדר שלהם, חיסול הצורך תנורים לצרוך כוח יכול לגרום סחף. Graphene גם מציע פעמים תגובה מהירה - לעתים פחות משני - בשל הננומטרי שלה וניידות גבוהה. כדי לשפר את הסלקטיביות, החוקרים לקשט גרפן עם חלקיקים מתכת (למשל, phendium, פלטינה) או נספחים ספציפיים של מימן, לדוגמה, זיהוי הרואין, הרואין, גרף הרואין, יש השפעה פורמלית של קבוצות גרף גבוה.

למרות היתרונות האלה, גרפן פריזטין סובל מגורם חלש ל-VOCs שאינם קוטביים ויכול להיות מושפע לחות. Defect Engineering and Chemicalization הם אזורים פעילים של מחקר כדי להתגבר על המגבלות הללו.עבור סקירה מקיפה של חיישני VOC מבוססי גרפן, להתייעץ עם FLT:0 זה פתוח גישה סקירה ב-Nanoscales Advances Advances 1.FLT:1.

ניהול פולימרים

ביצוע פולימרים כגון פוליאנילין (PANI), פוליפירוד (PPy), ופולי(3,4-ethylenedioxythiophene) עוברים שינויים בלתי הפיכים ב מוליכות החשמל שלהם על חשיפה למולקולות VOC. זה קורה באמצעות תהליכי doping/dedoping או שינויים מושרה נפיחות בשרשרת פולימרים.

לדוגמה, מעברים בין מלח אמלדין (מוליכים) לבין בסיס emeraldine (מבודד) צורות בנוכחות של חומצה או בסיסי VOCs. על ידי שליטה על המורלולוגיה - הרינומנברים או ננו-בוטיקים לספק שטח גבוה יותר - חוקרים להשיג זיהוי ברמת Pb של amm, ethanol, ומוליכים אחרים יכולים גם להיות מודפסים על גבי קיבולת גבוהה יותר, או על גבי קיבולת גבוהה של חומר הדפסה.

Metal Dichalcogenides (TMDs)

שני חומרים דו-ממדיים מעבר לגרף, כגון חומרים מרתיעים של molybdenum (MoS2) ו tungsten disulfide (WS2), הופיעו כחומרים מבטיחים VOC חישה. TMDs הם מוליכים למחצה עם פערים קבוצתיים שמשנים עם עובי, המציעים תכונות אלקטרוניות טונהפולות.מבנה שלהם מספק שטח גדול עבור מודעות מולקולריות, ואת נוכחות של vulostras יכול לשמש אתרי VOCs Activesives יכול לשמש עבור אתרי אינטרנט פעיל.

חיישנים מבוססי MoS2 הראו רגישות גבוהה חנקן דו חמצני (NO2) ו אמוניה (NH3) בטמפרטורת החדר, עם LODs בטווח נמוך pb. הביצועים יכולים להיות משופרים עוד יותר על ידי יצירת מבנים עם גרפן או על ידי עיצוב עם תחמוצת מתכת. TMDs גם להציג יציבות טובה באוויר, מה שהופך אותם אטרקטיבי עבור ניטור ארוך טווח הנוכחי כוללים שליטה על דחיסות ורמת ייצור של חומרים מתקדמים.

Metal Oxide

חיישנים חד-חמצני מסורתיים (למשל, ZNO, SnO2, WO3) פועלים בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות (200-400 מעלות צלזיוס) כדי לקדם תגובות חמצון אדומות עם VOCs. עם זאת, nanostructuring חומרים אלה - Into nanowires, ננודדים, או חלקיקים - מחנכים את מחסום האנרגיה ומאפשר ניתוח זמן-מסלול גבוה של 1 ו- 2D אפקטים של פחמן בגודל של פחמן, בעוד שגודל מתכתי, 000.

לדוגמה, חיישני תחמוצת אבץ יכולים לזהות את האנול ואת אצטון בריכוזים נמוכים כמו 1 ppm ב 150 מעלות צלזיוס, המייצג שיפור על פני סרטים מרובים. Doping עם מתכות אציליות (למשל, Au, Pt) קטז את התגובה, שיפור הרגישות נוספת. Hierarchical מבנים, כגון פרח דמוי סנואו2, מציעים אפילו אזורי פני שטח גדולים יותר על פני השטח, למרות ביצועים חד-חמצני, עדיין לפעול עם התקדמות אחת, 000, 000, 000, 000 זה עדיין לפעול על פני שטח פתוח יותר, 000.

ניתוח השוואתי של ביצועים חומריים

בחירת החומר האופטימלי תלויה ביישום הספציפי.למטה הוא השוואה המבוססת על אינדיקטורים ביצועי מפתח.

רגישות וסלקטיביות

MOFs בדרך כלל מציעים את הרגישות הגבוהה ביותר בשל אזורי פני השטח הקיצוניים שלהם ואת אפקט טרום הריכוז, עם LODs לעתים קרובות בטווח תת-פב. עם זאת,סלקטיביות יכולה להיות מתונה אלא אם גודל הפוד והכימיה מכוונים בדיוק. Graphene ו- TMDs לספק רגישות מצוינת בטמפרטורת החדר אבל עשוי להיאבק עם אופטימיזציה נגד הפרעות נפוצות כמו פולימרים מים.

תגובה ושיקום זמנים

Graphene ו- TMDs, עם האספקטים של נושא גבוה שלהם ושכבות פעילות דקות, להראות את זמני התגובה המהירים ביותר - לעתים קרובות מתחת שנייה אחת. MOFs, למרות רגישות גבוהה, יכול להיות תגובה איטית יותר עקב דיפוזיה באמצעות pores, במיוחד עבור מולקולות גדולות יותר.התנהגות פולימרים ו תחמוצת מתכת תחמוצת בדרך כלל יש זמני תגובה של כמה שניות עד דקות, בהתאם לטמפרטורה עובי מופעלת על ידי כוח; ואפקטיביות חזק; אבל שיפור יעיל יותר.

יציבות וחיים

תחמוצות מתכת, כאשר נעשה שימוש בטמפרטורות גבוהות, יכול לסבול מצמיחה דגנים וסחף לאורך זמן, אבל ניתוח זמני בחדר עם ננו מבנים משפר את היציבות. Graphene הוא יציב מבחינה כימית אבל יכול להיות מושפע מפרסומות ממתחות; encapsulation עוזר. MOFs עשוי לשפר את היציבות בתנאים לחמצמים, למרות שגרסאות רבות של מים קיימות הן רגישות לחמצן מהיר, ולהפחית את עוצמתם מהירה, לעתים קרובות, חום הגוף.

טכניקות אינטגרציה וחיישנים

תרגומים של חומרים מתקדמים למכשירים מעשיים דורש שיטות ייצור מדרגיות.טכניקות קידוד ⁇ -סרט כגון ספינ-coating, משיכת טיפות, הדפסה inkjet משמשים נרחב עבור פולימרים וחומרים 2D. עבור MOFs, שיטות כמו שכבת-על-ידי שכבות או גידול in-situ על פני השטח transducer הוכח.

מינימום ו Portability

טכנולוגיית Micro-electromechanical Systems (MEMS) מאפשרת שילוב של חומרים רגישים על פלטפורמות זעירות עם תנורי חימום משולבים ועיגולים קריאה.לדוגמה, מיקרו-קליוור מאוF יכול לזהות VOCs באמצעות שינוי המוני עם רגישות תת-פ. VOC זמינים כעת כיחידות ידניות או אפילו טלטלים, באמצעות קישוריות Bluetooth כדי להעביר נתונים נמוכים כגון גרפים.

ייצור זול-אווירי

אימוץ בקנה מידה גדול דורש ייצור סביר.חומרים לעיבוד פתרון כמו תחמוצת גרפן ולנהל פולימרים ניתן להדפיס רול-to-roll, להפחית באופן דרסטי את העלויות. MOFs מופקים כעת בכמויות קילו-גרם על ידי כמה חברות. Standardization של פרוטוקולים סינתזה ובקרת איכות יניעו עוד יותר מחירים.שילוב של כלכלות של כלכלות בקנה מידה וחידושים חומריים להפוך VOCVO מתקדמת לשימוש יומיומי, משרדים ציבוריים, וכן חללים ציבוריים.

יישומים אמיתיים

פיקוח סביבתי

איכות אוויר פנימית היא דאגה גוברת, כמו VOCs מצבעים, רהיטים, מוצרי ניקוי וחומרי בניין יכולים לגרום "תסמונת בניין sick" חיישנים VOC נמוך, רגיש המשולבים במערכות בית חכמות יכול להזהיר את הדיירים לרמות מזיקות ולגרום ventilation. בחוץ, רשתות חיישן יכול למפות זיהום חם מפליטות רכב ואפקטיביות תעשייתיות.

בריאות בריאות

הנשימה האנושית מכילה יותר מ-3,000 VOCs, שחלקם הם סמנים ביולוגיים למחלות.לדוגמה, אצטון בנשימה מתואם לרמות גלוקוז בדם, המציעים צג שאינו פולשני לסוכרת. רמות איספוטורין משתנות במהלך מאמץ פיזי, ורמות גבוהות של אלדההדס מסוימים עשויים להצביע על סרטן ריאות.

בטיחות תעשייתית

בצמחים כימיים, חיישנים VOC עם זמני תגובה מהירים יכולים לספק התראות מיידיות.חומרים כמו TMDs או תחמוצת מתכת, אשר פועלים באופן אמין בסביבות קשות, מועדים לשימוש תעשייתי.מגמה כלפי רשתות חיישן אלחוטית מאפשרת ניטור בזמן אמת של מתקנים גדולים, שיפור וצמצום הצורך בבדיקות.

אפשרויות לעתיד ודרכים מחקר

התחום נע לעבר מערכות חכמות יותר, משולבות יותר של אלגוריתמים של למידת מכונות, כאשר בשילוב עם מערך חיישן (אפים חשמליים), יכולות לסווג ולכמת תערובת מורכבות של VOC, להתגבר על מגבלות סלקטיבות חומריות אינדיבידואליות.בנוסף, חיישנים המופעלים על ידי עצמי באמצעות מחסני אנרגיה תלת-אופטיים או משככי כאבים נחקרים עבור פעילות ללא תחזוקה במשך חודשים או שנים.

חומרים היברידיים ו- Composite

שילוב של שני או יותר שיעורים חומריים לעתים קרובות מניב השפעות סינרגיסטיות.לדוגמה, תרכובת MOF-graphene יכולה למנף את יכולת המודעות הגבוהה של MOFs עם מוליכות מעולה של גרפן, וכתוצאה מכך חיישן עם רגישות גבוהה ותגובה מהירה. בדומה, הטמעת חלקיקים תחמוצת מתכת במריצה פולימרנית יכול לשפר את היציבות תוך שמירה על גמישות החוקרים הם לחקור באופן שיטתי ביצועים היברידיים כאלה עבור VO ספציפית.

שילוב למידת מכונות עבור בחירה

במקום להסתמך רק על חומר סלקטיבי יחיד, חיישנים מודרניים רבים משתמשים במערך של אלמנטים סלקטיביים בינוניים בשילוב עם אלגוריתמים זיהוי דפוס.כל חיישן במערך מגיב אחרת ל-VOCs שונים, יצירת "טביעה" ייחודית עבור כל תרכובת.מודלים למידה עמוקה יכולים לזהות ולכמת את אלגוריתמים VOCs הנוכחי, אפילו בתערובת מורכבת. גישה זו היא חזקה במיוחד עבור ניתוח נשימה, שבו מאות חפיפות של תרכובות של מחשוב אמיתיים, מאפשרות כיום לפעול על מנת להפעיל את החיישנים.

עוד גבול מרגש הוא התפתחות של חומרים self-healing שיכולים להתאושש מנזק או זיהום, הרחבת חיי החיישן.

מסקנה

חומרים חדשניים משנים את טכנולוגיית חיישן VOC מיכולת נישה לכלי רב צדדי להגנה סביבתית, בריאות ובטיחות תעשייתית. מסגרות מתכת-אורגניות, גרפן, ביצוע פולימרים, מעבר מתכת dichalcogenides, וננודור מתכת oxides כל אחד מציעים יתרונות ייחודיים, והבטחות הזיכוך המתמשך שלהם אפילו ביצועים גדולים יותר.