L’Institut de recherche coréen des normes et des sciences (KRISS) a développé une technologie de capteur de gaz de nouvelle génération qui utilise une lumière LED peu coûteuse et sûre pour distinguer précisément plusieurs gaz dangereux. Par rapport aux capteurs conventionnels qui fonctionnent à haute température, la nouvelle technologie consomme beaucoup moins d’énergie, offrant une meilleure efficacité économique tout en ayant une large applicabilité. Elle devrait améliorer la sécurité liée aux gaz dans les environnements industriels ainsi que dans la vie quotidienne.
Les capteurs de gaz actuellement utilisés dans les milieux industriels fonctionnent généralement en mode haute température, maintenant des températures de 200 à 400°C pour améliorer la réactivité avec les molécules de gaz. Cette approche nécessite que chaque capteur soit équipé d’un micro-chauffeur qui chauffe continuellement l’appareil, entraînant une consommation électrique élevée. L’exposition répétée à des températures élevées accélère également la dégradation des matériaux, réduisant la durée de vie opérationnelle du capteur.
Pour surmonter ces limitations, des capteurs de gaz incorporant des panneaux LED ultraviolets (UV) ou à lumière visible à la place de chauffages ont été proposés. Cependant, leur commercialisation a été limitée par des problèmes de sécurité et de performance. Si les capteurs à UV offrent une forte réactivité aux gaz, ils présentent des risques potentiels de lésions cutanées en cas d’exposition humaine. En revanche, les capteurs à LED à lumière visible sont plus sûrs mais présentent une réactivité plus faible avec les molécules de gaz, rendant difficile la détection d’autres gaz que le dioxyde d’azote.
Le Dr Kwon Ki Chang, chercheur principal du Groupe de métrologie des matériaux émergents au KRISS, et Nam Gi Baek, un étudiant en doctorat du Département de science et ingénierie des matériaux de l’Université nationale de Séoul, ont développé une nanostructure dans laquelle du sulfure d’indium (In2S3) est finement déposé sur de l’oxyde d’indium (In2O3), améliorant considérablement les performances des capteurs de gaz à base de LED à lumière visible.
La nanostructure, conçue dans une configuration d’hétérojonction de type I, agit comme un « puits d’énergie » qui empêche les porteurs de charge photo-générés de se disperser vers l’extérieur et les concentre plutôt à la surface réactive lorsqu’ils sont exposés à la lumière. En maximisant l’efficacité de l’utilisation de l’énergie lumineuse, la structure permet une interaction immédiate avec les molécules de gaz en utilisant uniquement l’éclairage d’une LED bleue, sans nécessiter de source de chaleur externe.
L’équipe de recherche a mis en œuvre un système de nez électronique (E-nose) en disposant des capteurs recouverts de nanoparticules de platine (Pt), de palladium (Pd) et d’or (Au) sur la structure d’hétérojonction développée. Chaque catalyseur en métal noble a été conçu pour répondre sélectivement à des gaz spécifiques, permettant au système de distinguer clairement des gaz dangereux comme l’hydrogène, l’ammoniac et l’éthanol, même dans des environnements de gaz mélangés, à l’instar de l’odorat humain.
Les tests de performance ont démontré que le capteur atteignait une limite de détection (LOD) de 201,03 parties par billion (ppt), représentant une amélioration d’environ 56 fois de la sensibilité par rapport aux capteurs à LED conventionnels. L’appareil a également maintenu un fonctionnement stable sous 80% d’humidité et a préservé ses performances initiales lors d’évaluations à long terme dépassant 300 jours, confirmant ainsi sa grande durabilité.
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La nouvelle technologie permet à un seul capteur d’identifier plusieurs types de gaz tout en consommant un minimum d’énergie, le rendant économiquement viable pour les applications industrielles et domestiques. En détectant simultanément divers gaz dangereux avec une seule installation, il peut réduire considérablement le coût du déploiement de capteurs dans les usines et les centrales électriques. Grâce à ses faibles coûts de maintenance, la technologie peut être facilement adoptée pour la surveillance en temps réel de la qualité de l’air dans les installations résidentielles et les espaces publics.
Le capteur fonctionne à température ambiante sans nécessiter de chauffage à haute température, ce qui le rend bien adapté à l’intégration dans des dispositifs portables tels que les smartphones et les montres connectées. Après commercialisation, la technologie pourrait permettre des services de sécurité centrés sur l’utilisateur, permettant aux individus de surveiller en temps réel les conditions environnementales dangereuses le long de leurs trajets quotidiens et de réagir immédiatement aux incidents potentiels de fuite de gaz.
Le Dr Kwon Ki Chang a déclaré que l’équipe prévoyait d’optimiser davantage les combinaisons de catalyseurs pour développer des capteurs intelligents personnalisés capables de détecter sélectivement les gaz dangereux adaptés à des conditions de site spécifiques.
Article : Visible Light-Driven Heterojunction Array Based on Type-I In₂S₃/In₂O₃ for Selective Multi-Gas Discrimination – Journal : Small – DOI : Lien vers l’étude
Source : KRISS / NST KR
