Fortschrittlicher kohlenstoffbasierter NO₂-Sensor verbessert Innenraumluftüberwachung

Wissenschaftler haben einen hochsensitiven und präzisen Stickstoffdioxid-Sensor (NO₂) entwickelt, der lebensrettende Anwendungen in häuslichen, öffentlichen und industriellen Umgebungen bietet. Langzeitbelastung durch NO₂ – ein Hauptluftschadstoff aus Verbrennungsmotoren und Industrieprozessen – kann Atemwegsprobleme verursachen, die besonders für Babys und Asthmatiker schwerwiegend und sogar lebensbedrohlich sein können. Der Gassensor könnte präzise NO₂-Werte in der lokalen Umgebung in einem erschwinglichen, portablen IoT-Gerät liefern, das mit Smartphones und Apps synchronisiert werden kann.

Herausforderung und Ziel

Die Überwachung der Luftqualität zur Vermeidung von NO₂-Exposition im Parts-per-Billion-Bereich (ppb) ist derzeit nur mit unhandlichen, teuren Geräten möglich und wird daher kaum umgesetzt. Ziel dieser Arbeit war es, ein Gerät zu schaffen, das sensitiv und präzise genug ist, um unter 20 ppb NO₂ in der Luft zu detektieren, aber auch in realen Situationen funktioniert und bequem und erschwinglich genug für breite Nutzung ist.

Durchbruch: Laser-abscheideter Kohlenstoff-Aerogel

Der Durchbruch gelang, als das Team eine NO₂-Sensorschicht auf Basis eines laser-abscheideten Kohlenstoff-Aerogels (LDCA) entwickelte, die eine außergewöhnliche Selektivität gegenüber NO₂ im Vergleich zu anderen gängigen Luftschadstoffen aufwies – einzigartig unter Kohlenstoff-Nanomaterialien. Mit einem skalierbaren, kostengünstigen Ein-Schritt-Laserprozess wird der dünne, poröse und gut haftende LDCA-Film auf Elektroden abgeschieden, die dann in verschiedenen Gerätestrukturen für kontinuierliche Luftüberwachung untergebracht werden können. Der Sensor ist so empfindlich, dass er nahe 10 ppb NO₂ in unter 15 Minuten detektieren kann und entscheidend: bei Raumtemperatur funktioniert – sogar gut in feuchten Bedingungen, einer problematischen Umgebung für viele andere Sensoren.

Wasser als Vorteil nutzen

Wie Kondenswasser an einer Fensterscheibe haben Nanomaterialien wie der hier verwendete Kohlenstoff fast immer Oberflächenwasser. Normalerweise ist dies negativ, da es die Technologie stört, doch hier konnte das Team die Wasserschicht zu ihrem Vorteil nutzen, um NO₂ selektiv zu lösen statt anderer flüchtiger Stoffe, die normalerweise in Umgebungsluft vorkommen.

Potenzielle Anwendungen

• Sicherheitsgerät zur Überwachung der Luftqualität im Babyzimmer
• Hilfe bei der Wahl der besten Geh- oder Radwege und Tageszeiten, um hohe Schadstoffbelastung zu vermeiden
• Einsatz durch Immobilienmakler, um Kaufinteressenten über NO₂-Werte in Haus und Umgebung zu informieren

Die Daten könnten auch in eine nationale oder weltweite Schadstoffüberwachungsdatenbank einspeisen, um positive Maßnahmen zur Luftqualität anzustoßen.