Material Screening for Gas Sensing Using an Electronic Nose: Gas Sorption Thermodynamic and Kinetic Considerations

电子鼻 吸附 传感器阵列 重量分析 气体成分 工艺工程 计算机科学 纳米技术 材料科学 化学 吸附 热力学 工程类 物理 有机化学 机器学习
作者
Ashwin Kumar Rajagopalan,Camille Petit
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:6 (10): 3808-3821 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssensors.1c01807
摘要

To detect multiple gases in a mixture, one must employ an electronic nose or sensor array, composed of several materials, as a single material cannot resolve all the gases in a mixture accurately. Given the many candidate materials, choosing the right combination of materials to be used in an array is a challenging task. In a sensor whose sensing mechanism depends on a change in mass upon gas adsorption, both the equilibrium and kinetic characteristics of the gas–material system dictate the performance of the array. The overarching goal of this work is twofold. First, we aim to highlight the impact of thermodynamic characteristics of gas–material combination on array performance and to develop a graphical approach to rapidly screen materials. Second, we aim to highlight the need to incorporate the gas sorption kinetic characteristics to provide an accurate picture of the performance of a sensor array. To address these goals, we have developed a computational test bench that incorporates a sensor model and a gas composition estimator. To provide a generic study, we have chosen, as candidate materials, hypothetical materials that exhibit equilibrium characteristics similar to those of metal–organic frameworks. Our computational studies led to key learnings, namely, (1) exploit the shape of the sensor response as a function of gas composition for material screening purposes for gravimetric arrays; (2) incorporate both equilibrium and kinetics for gas composition estimation in a dynamic system; and (3) engineer the array by accounting for the kinetics of the materials, the feed gas flow rate, and the size of the device.
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