색상

독일 연구진이 개발한 새로운 센서 덕분에 단순한 색상 변화만으로도 잠재적으로 위험한 수소 가스가 존재함을 나타낼 수 있습니다. 수소가 있을 때 보라색에서 분홍색으로 변하는 소위 "초입자"를 사용하는 마이크론 규모의 장치는 주유소, 발전기 및 파이프라인에서 누출을 더 쉽게 감지하고 위치를 파악함으로써 폭발을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다.

재생 에너지를 사용하여 생산된 수소는 환경 친화적인 연료이며 보다 지속 가능한 에너지원으로 전환하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그러나 공기 중에 가연성이 매우 높고 폭발할 가능성이 있으며, 무색, 무취의 특성으로 인해 감지하기 어렵습니다. 광학 수소 센서는 광학 신호를 읽을 수 있는 응답으로 변환하기 위해 나노안테나, 광원, 광섬유 및 전자 제어 장치와 같은 복잡한 구조를 사용하는 경향이 있는 반면, "가소크로믹"(즉, 색상 변경) 수소 센서는 종종 얇은 두께로 제작됩니다. 특정 기판의 필름으로 인해 취약한 다층 구조가 발생합니다.

Karl Mandel 연구 그룹의 Jakob Reichstein이 조정한 FAU Erlangen-Nürnberg의 과학자 컨소시엄은 이제 실리카 나노입자, 금-팔라듐(Au-Pd) 나노입자 및 지시 염료의 세 가지 구성 요소로 구성된 초입자를 사용하여 대체 수소 센서를 만들었습니다. 레자주린이라고 합니다. 팀은 이 세 가지 성분을 수성 분산액에 결합하여 원자화하여 작은 물방울을 생성했습니다. 그런 다음 그들은 분무 건조라고 알려진 과정을 통해 물방울을 뜨거운 챔버에 도입했습니다. 용매가 증발할 때, Reichstein은 나노입자와 염료 분자가 함께 강제로 결합하여 수소와 같은 가스에 접근할 수 있는 메조다공성 초미립자 골격 구조를 형성한다고 설명합니다.

구조의 입자가 대기로부터 물을 흡수함에 따라 레자주린 분자가 자유롭게 전파될 수 있도록 하는 3상 시스템을 형성합니다. 실제로, Reichstein은 물이 촉매 활성 Au-Pd 나노입자 쪽으로 레자주린 염료 분자를 운반하는 운반 매체 역할을 한다고 말했습니다. 수소가 존재하면 레자주린은 환원되어(즉, 수소 원자를 흡수하여) 관련 화학물질인 레조루핀을 형성합니다. 지속적인 누출의 경우와 같이 수소가 계속 존재하는 경우 추가적인 환원 반응이 발생하여 레조루핀이 하이드로레소루핀으로 변환됩니다.

Reichstein은 “수소에 의한 레자주린의 환원은 초입자의 뚜렷한 2단계 색상 변화를 동반합니다. 첫 번째는 보라색에서 분홍색으로 비가역적으로, 그 다음에는 가역적으로 무색 상태로 변하는 것입니다.”라고 설명합니다. "이러한 변화는 육안으로 볼 수 있습니다."

Reichstein은 팀의 수소 표시 초입자가 여러 가지 가능한 응용 분야를 가지고 있다고 말합니다. 직경이 1~10μm인 입자는 파이프라인 코팅 및 안전복을 비롯한 다양한 재료에 첨가제나 안료로 포함될 수 있을 만큼 작습니다. 이를 통해 수소를 신속하게 감지하고 거의 모든 관심 지점에서 누출 위치를 정확하게 파악하는 데 쉽게 활용할 수 있습니다.

나비 날개에서 영감을 받은 수소 센서

Advanced Functional Materials 분야에서 연구 결과를 보고한 연구진은 "모든 잠재력을 실현하고 실제 응용 분야에 구현하여 보다 안전한 수소 경제에 기여"할 수 있을 때까지 초입자를 최적화할 계획입니다. "현재 우리는 초입자의 민감도와 장기적인 안정성을 조사하고 개선하고 있습니다"라고 Reichstein은 결론지었습니다. "우리는 또한 코팅에 있는 초입자의 가스변색성 기능을 테스트하고 있습니다."