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환경 모니터링을 돕는 나노섬유 기반의 가스 센서
미국 연구진은 다양한 환경 모니터링 분야에 적용 될 수 있는, 새로운 나노섬유로 전기화학적 가스 센서를 만들었다.
고온 전기화학 가스 센서는 에너지 효율을 향상시킬 수 있고 자동차, 화력발전소, 금속 처리, 유리 제조와 같은 분야에서 피드백 제어 시스템의 일환으로 공해 방출을 감소시킨다. 이런 센서의 민감도는 재료의 구성과 감지 전극 구조를 의존하게 만들고, 대면적, 고다공성, 빠른 전자 수송 등을 요구하게 된다. 그러므로 이러한 구조는 1차원 나노물질을 만드는데 이상적이다. 그러나 이것들의 상업화는 나노 물질 제조 시의 문제점 때문에 힘들었다.
최근, 웨스트 버지니아 대학(West Virginia University)의 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해서 La0.8Sr0.2MnO3 나노섬유를 이용할 수 있는 방법을 개발했다. 연구진의 센서 전극은 그림에서 처럼 약 200nm의 지름을 가진 많은 전기방사 나노섬유로 구성되어 있다. 전기방사(Electrospinning)는 간단한 저비용 기술이고, 1차원 나노구조를 대량 생산할 수 있는 방법이다.
기존의 마이크로 크기의 분말과 비교할 때, 나노섬유는 더 큰 표면적을 가지고 가스 분산을 촉진하는 다공성 네트워크를 형성한다. 또한 나노섬유는 서로 연결되어 있어서, 전하를 수송하기 위한 연속적인 통로를 제공한다. 이것의 독특한 구조는 전기화학적 반응 영역을 증가시킨다. 결과적으로, 센서는 향상된 민감도, 낮은 검출 한계, 빠른 가스 농도 변화에 대한 반응 등을 가진다.
이번 연구에서, 나노섬유 기반의 전극을 가진 센서는 고온(>500℃)에서 일산화탄소를 검출하는데 성공했다. 이 연구결과는 고온 전기화학적 센서의 성능을 향상시키기 위한 효과적인 방법이라는 것이 증명되었다.
LSM(Lanthanum strontium manganite) 나노섬유는 전기방사 방법에 의해서 합성되었다. 전기방사된 나노섬유는 1050℃에서의 어닐링 후에도 형상 및 구조의 변화가 없었다. LSM 나노섬유는 500℃ 이상의 고온에서 일산화탄소 검출을 위해서 YSZ(yttria-stabilized zirconia) 전해질을 가진 전기화학적 센서의 감지 전극으로서 사용된다. 전기방사된 나노섬유는 다공성 네트워크 전극을 형성하는데, 이것은 전하 수송을 위한 연속적인 통로로 제공된다. 결과적으로, 나노섬유 전극은 CO 산화에 대해서 더 높은 기전력(electromotive force)과 더 높은 전기-촉매 활성을 가진다. 따라서 나노섬유 전극을 가진 센서는 분말 전극을 가진 센서보다 CO에 대한 더 높은 민감도, 더 낮은 검출 한계, 더 빠른 반응성을 가진다.
이 연구는 미국 웨스트 버지니아 대학(West Virginia University)의 Nianqiang Wu와 그의 연구진에 의해 수행되었다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Electrospun La0.8Sr0.2MnO3 nanofibers for a high-temperature electrochemical carbon monoxide sensor”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/23/30/305501).
그림. 유해 가스를 감지하는 나노섬유.
출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/lab/50688
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