大多数用于检测工业或家庭环境中有毒气体的系统只能使用一次，或者最多使用几次。现在，麻省理工学院的研究人员开发了一种探测器，可以以低成本连续监测这些气体的存在。

新系统结合了两种现有技术，将它们结合在一起，保留每种技术的优点，同时避免它们的局限性。该团队使用了一种称为金属有机框架(MOF)的材料，这种材料对微量气体高度敏感，但其性能很快就会下降，并将其与高度耐用且易于加工但敏感性低得多的聚合物材料相结合。

麻省理工学院教授 Aristide Gumyusenge、Mircea Dinca、Heather Kulik 和 Jesus del Alamo、研究生 Heejung Roh 以及博士后 Dong-Ha Kim、Yeongsu Cho 和 Young-Moo Jo 的论文发表在《Advanced Materials》杂志上。

MOF 具有高孔隙率和大表面积，有多种成分。有些可以是绝缘体，但用于这项工作的绝缘体具有高导电性。凭借其海绵状的形状，它们可以有效地捕获各种气体的分子，并且可以调整其孔的大小，使其对特定种类的气体具有选择性。

该论文的资深作者、Merton C. Flemings 职业发展材料学助理教授 Gumyusenge 表示：“如果你将它们用作传感器，你就可以识别出气体是否存在，如果它对 MOF 的电阻率有影响的话。”科学与工程。

这些材料用作气体检测器的缺点是它们很容易饱和，然后无法再检测和量化新的输入。 “这不是你想要的。你希望能够检测并重复使用，”Gumyusenge 说。 “因此，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性。”

该团队使用了一类导电聚合物，Gumyusenge 和他的同事之前已经证明这种聚合物可以对气体做出反应，而不会永久地与气体结合。 “这种聚合物，尽管没有MOF 那样高的表面积，但至少会提供这种识别和释放类型的现象，”他说。

该团队将液体溶液中的聚合物与粉末状 MOF 材料结合在一起，并将混合物沉积在基材上，干燥后形成均匀的薄涂层。他说，通过将具有快速检测能力的聚合物与更灵敏的 MOF 以一比一的比例组合在一起，“突然间，我们得到了一种传感器，它既具有 MOF 的高灵敏度，又具有可逆性，是由于聚合物的存在而实现的。”

当气体分子暂时被困在材料中时，材料会改变其电阻。只需连接欧姆表即可连续监测电阻的这些变化，以跟踪电阻随时间的变化。 Gumyusenge 和他的学生展示了复合材料在小型实验室规模设备中检测二氧化氮(多种燃烧产生的有毒气体)的能力。经过 100 次检测循环后，该材料仍保持其基准性能在约 5% 至 10% 的范围内，展示了其长期使用潜力。

此外，该团队报告说，这种材料的灵敏度比目前使用的大多数二氧化氮探测器高得多。这种气体经常在使用炉灶后检测到。而且，由于这种气体最近与美国许多哮喘病例有关，因此低浓度下的可靠检测非常重要。研究小组证明，这种新型复合材料可以可逆地检测浓度低至百万分之二的气体。

虽然他们的演示专门针对二氧化氮，但 Gumyusenge 表示，“我们绝对可以针对其他挥发性分子定制化学方法”，只要它们是小的极性分析物，“它们往往是大多数有毒气体”。

除了与简单的手持式探测器或烟雾报警器类型的设备兼容之外，该材料的一个优点是聚合物可以使其沉积为极薄的均匀薄膜，这与常规 MOF 不同，后者通常效率低下。粉末形式。

由于薄膜很薄，所需材料很少，生产材料成本也较低;加工方法可能是典型的工业涂层工艺。 “因此，也许限制因素将是扩大聚合物的合成规模，我们一直在少量合成，”Gumyusenge 说。

“下一步将是在现实生活中评估这些，”他说。例如，该材料可以用作烟囱或排气管上的涂层，以通过附加电阻监测设备的读数连续监测气体。他说，在这种情况下，“我们需要进行测试，以检查我们是否真正将其与我们在实验室环境中可能忽略的其他潜在污染物区分开来。让我们将传感器放在现实场景中，看看它们的表现如何。”

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