Nanoparticle-2D hybrid structures for smart environmental sensing

Ren luft er nødvendig for mennesket. Dårlig luftkvalitet hadde ansvaret for over 4.2 millioner dødsfall I 2016. Som følge av dette er det et stort behov for veldig følsomme gassensorer, som kan bli integrert i et målesystem som kan detektere om luftforurensingen overstiger gitte grenseverdier. I prosjektet Nanoparticle-2D hybrid structures for smart environmental sensing (2DSense) har vi utviklet veldig følsomme sensorer for deteksjon av farlige miljøgasser (NOx, CO) ved å kombinere 2-dimensjonale (2D) materialer og funksjonaliserte nanopartikler på en innovativ måte. Todimensjonale materialer tilbyr nye muligheter for å utvikle ultrafølsomme sensorer grunnet materialenes høye ladningsmobilitet, store overflateareal i forhold til volum samt justerbare elektronstruktur. Overflatens selektivitet (hvilken gass den skal detektere) og følsomhet kan videre styrkes ved å dekke overflaten med nanopartikler som er tilpasset en spesifikk gass. 2Dsense var et samarbeidsprosjekt mellom SINTEF og The Indian Institute of Technology Delhi (IITD) i India. Prosjektet ble støttet av Norges Forskningsråd og det indiske vitenskaps- og teknologidepartementet. Todimensjonale materialheterostrukturer ble utviklet av SINTEF, mens arbeidet med nanopartikler ble utført av IITD. Forskere fra begge instituttene besøkte hverandre og deltok i felles eksperimenter og diskusjoner. Internasjonalt samarbeid spilte en viktig rolle i dette prosjektet og ledende forskningsgrupper ved University of Manchester (UK) og Kansas State University (US) deltok i rådgivende roller. Vi har oppnådd målene for prosjektet: - Vi har produsert veldig følsomme sensorer som kan oppdage NOx og CO ned til PPB-nivåer - Vi har laget størrelsesspesifikke nanopartikler av flere materialer - Vi har laget 2D-baserte heterostrukturenheter - Vi har laget hybride nanopartikkeldekorerte 2D-heterostrukturenheter - Vi har utviklet et veikart for potensiell kommersialisering - Vi har publisert 7 fagfellevurderte vitenskapelige tidsskrifter i rapporteringsperioden - Vi har holdt to workshops: en i Norge og en i India - Vi har dyrket vitenskapelig og kulturell utveksling mellom Norge og India Fremover blir resultatene av dette prosjektet brukt som grunnlag for større EU-prosjekter, da vi tar sikte på å bygge videre på disse resultatene og utvikle skalerbare tilnærminger til hybride 2D-heterostruktursensorer.

2Dsense was successful in proving its hypothesis. We showed that nanoparticle hybrid 2D heterostructure sensors have significantly higher sensitivity and selectivity than their individual constituents. The project also achieved its main and secondary objectives - We have shown sensitivity towards NOx in the low ppb range - We have fabricated nanoparticles with narrow size distributions - We have fabricated 2D material heterostructures - We have carried out an evaluation/system specification of a potential sensing system - We have published 8 journal articles at the time of reporting - We have carried out one workshop in India and another in Norway - The scientific and cultural collaboration between Norway and India has been increased with over 4 visits in each direction and several joint publications

Nanoparticle-2D hybrid structures for smart environmental sensing (2DSense) brings together leading research institutes in Norway (SINTEF) and India (IIT Delhi) in a collaborative project to make hybrid 2D heterostructure interface nanoparticle devices that can detect NOx and CO with sensitivities in the low ppb range for smart environmental sensing. Poor air quality has contributed to over 4.2 million deaths globally and is a significant contributor to a poor quality of life experienced by many people around the world. There is therefore a need to develop ultra-sensitive and selective gas sensors for accurate detection of hazardous environmental gases. The rise of interest in 2D materials offers new possibilities in the development of ultra-sensitive and selective gas sensors. This is due to their unmatched surface to volume, high mobilities and tuneable electronic structure. These materials can further be enhanced decorating their surface with specific and well controlled nanoparticles which enhance gas adsorption. Gas sensors will not only be developed alone; signal processing and communication protocols will be evaluated towards a truly smart system. Project scientists from both SINTEF and IIT Delhi will work collaborative to achieve the main goals of the project. Scientists will also travel and work at both institutions thought the project period to ensure there is good knowledge transfer and to develop a deep collaboration. 2DSense reaches out the global scientific community by collaborating with world class researchers from both The University of Manchester and Kansas State University.