ساخت نانوحسگری برای شناسایی سریع و دقیق‌تر گاز ید

این پروژه که در مجله علمی Nature Communications منتشر شده است، ترکیبی از اکسید گرافن احیاء شده (rGO)، نانوذرات یدید نقره (AgI) و پلی‌استایرن سولفونات (PSS) را برای افزایش عملکرد حسگرها معرفی می‌کند. این پیشرفت می‌تواند به بهبود شناسایی سریع و انتخابی گازهای مضر کمک کند.

ید، به‌ویژه در شکل رادیواکتیو خود، یکی از آلاینده‌های زیست‌محیطی خطرناک محسوب می‌شود. این عنصر به دلیل فرّار بودن و اثرات زیان‌بارش، نیاز به پایش مستمر و دقیق دارد، خصوصاً در صنایع هسته‌ای و مأموریت‌های فضایی که احتمال قرارگیری در معرض مواد رادیواکتیو بالاست.

روش‌های رایج شناسایی ید معمولاً در غلظت‌های پایین دقت کافی ندارند و از این رو، توسعه حسگرهای پیشرفته‌تر یک نیاز ضروری محسوب می‌شود. ترکیب نانوکریستال‌های نقره با rGO باعث ایجاد یک اثر هم‌افزایی می‌شود که حساسیت و انتخاب‌پذیری حسگر را افزایش داده و چالش‌های فناوری‌های موجود را برطرف می‌کند.

در این پژوهش، کامپوزیت Ag-PSS-rGO با استفاده از یک فرآیند مونتاژ تک‌مرحله‌ای سنتز شد. مراحل آماده‌سازی شامل موارد زیر بود:

* حل کردن ۸۰ میلی‌گرم اسید پلی‌استایرن سولفونیک در ۱۰ میلی‌لیتر آب دیونیزه.

* افزودن ۴ میلی‌لیتر از محلول اکسید گرافن (GO).

* افزودن محلول نیترات نقره (AgNO₃) و ترکیبات احیاء کننده(سدیم هیدروکسید و هیدرازین هیدرات) در دمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد.

* فیلتراسیون، شستشو و پخش مجدد ترکیب در آب دیونیزه برای ایجاد یک محلول پایدار جهت ساخت حسگر.

برای ساخت ماژول حسگر، الکترودهای نقره-پالادیوم روی یک زیرلایه سرامیکی آلومینا طراحی و ساخته شدند. سپس محلول Ag-PSS-rGO به روش قطره‌گذاری و خشک کردن روی این الکترودها اعمال شد تا لایه‌ای نازک برای حسگر تشکیل شود.

جهت بررسی ویژگی‌های این ترکیب، آزمایش‌های طیف‌سنجی فوتوالکترونی اشعه ایکس (XPS)، پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) انجام شد. این تحلیل‌ها نشان داد که نانوذرات نقره و پلی‌استایرن سولفونات به‌طور موفقیت‌آمیزی درون ماتریس rGO توزیع شده‌اند که موجب عملکرد بهینه این ماده در حسگرهای گازی می‌شود.

برای ارزیابی عملکرد حسگر، آن را در معرض بخار ید در غلظت‌های مختلف قرار دادند. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که: حسگر دارای زمان پاسخ‌دهی سریع ۴.۲ ثانیه و زمان بازیابی ۱۱ ثانیه در غلظت ۲۰۰ ppm است. این سرعت بالا، حسگر را برای تشخیص سریع گازهای سمی در صنایع حساس مانند هوافضا ایده‌آل می‌کند. این حسگر دارای رابطه خطی قوی بین پاسخ و غلظت بخار ید است که حد تشخیص آن را تا ۲۵ ppb کاهش داده است.

سازوکار تشخیص به جذب و واجذب برگشت‌پذیر ید روی نانوذرات AgI نسبت داده می‌شود. در این فرآیند، نانوذرات AgI همراه با سطح ویژه بالا و هدایت‌پذیری عالی rGO، منجر به افزایش حساسیت و انتخاب‌پذیری حسگر می‌شوند.

به نقل از ستاد نانو، در آزمایش‌های پایداری ۱۰ هفته‌ای، حسگر عملکرد خود را بدون کاهش کارایی حفظ کرد، حتی در شرایط محیطی مختلف. این موضوع نشان می‌دهد که این فناوری برای کاربردهای طولانی‌مدت مانند پایش ایمنی در محیط‌های صنعتی و هسته‌ای مناسب است. حضور PSS باعث پراکندگی بهتر rGO شده و فرآیند پردازش را ساده‌تر می‌کند، در حالی که عملکرد کلی حسگر را بهبود می‌بخشد. با ترکیب ویژگی‌های rGO، نانوذرات AgI و PSS، این تحقیق پایه‌ای برای نسل جدید حسگرهای گازی ایجاد می‌کند که می‌توانند در محیط‌های پرخطر مانند هوافضا، صنایع هسته‌ای و ایمنی محیطی مورد استفاده قرار گیرند.