3D-Printing of Fluorinated Polymer-based Materials for Plasmonic Sensing
Doctoral thesis, 2023

Hydrogen attracts growing interest as a versatile energy carrier, serving as a fuel for cars, a heat source, or a reagent for chemical synthesis. At the same time, the demand for accurate and selective hydrogen sensors is increasing because of both safety concerns and the need for process monitoring. This thesis discusses plasmonic sensors as a viable option for hydrogen sensing and in particular the transition from 2D thin films to bulk production of plasmonic plastic nanocomposites via melt processing and 3D-printing. This thesis explores a processing methodology that has the potential to produce a broad range of plasmonic plastic nanocomposites by allowing for variation in both the type of nanoparticles and the polymer matrix.

First, different Au nanoparticles were compounded together with poly(lactic acid) (PLA) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) and 3D-printed to demonstrate the versatility and processability of  plasmonic plastic nanocomposites. Secondly, Pd- and PdAu based composites with PMMA and Teflon AF as the polymer matrix were produced to create 3D-printed plasmonic hydrogen sensors. Furthermore, the hydrogen sensing kinetics and protective properties of the polymer matrix surrounding the Pd nanoparticles were evaluated. The use of PMMA:Pd nanocomposites resulted in a robust sensor, that offers good protection against carbon monoxide poisoning. Instead, Teflon AF:Pd nanocomposites facilitate fast sensing due to a high hydrogen diffusivity. To combine the advantages of both matrix polymers, a core:shell approach with a Teflon AF:Pd nanocomposite as the bulk material and PMMA as a surface coating is explored. This approach yields a sensor with a promising degree of carbon monoxide protection without affecting the fast sensor response of the Teflon AF:Pd nanocomposite. Evidently, the use of polymer nanocomposites is a promising avenue for the realization of fast and selective hydrogen sensors.

3D-printing

polymer nanocomposite

hydrogen sensing

plasmonic nanoparticles

Teflon AF

fused deposition modeling

KC-salen, Kemigården 4.
Opponent: Professor Kamal Asadi, University of Bath, England

Author

Ida Östergren

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry

Bulk-Processed Plasmonic Plastic Nanocomposite Materials for Optical Hydrogen Detection

Accounts of Chemical Research,;Vol. 56(2023)p. 1850-1861

Journal article

Highly Permeable Fluorinated Polymer Nanocomposites for Plasmonic Hydrogen Sensing

ACS Applied Materials & Interfaces,;Vol. 13(2021)p. 21724-21732

Journal article

I. Östergren, I. Darmadi, S. Lerch, R. R. da Silva, K. Moth-Poulsen, C. Langhammer, C. Müller. A Surface Passivated Fluorinated Polymer Nanocomposite for Carbon Monoxide Resistant Plasmonic Hydrogen Sensing

För att kunna ställa om till ett mer hållbart samhälle och tackla utmaningarna med klimatförändringarna, behövs många nya lösningar gällande både produktion och lagring av energi. Användning av vätgas som bränsle har många potentiella användningsområden, allt från uppvärmning av hus, förbränning i till exempel stålproduktion till att driva bilar med hjälp av bränsleceller. En väsentlig fördel med vätgas är att den kan användas för lagring av överskottsenergi från solceller eller vindkraftverk under dagar när produktionen är högre än efterfrågan. Överskottet av elektriciteten kan användas för att spjälka vatten till vätgas, som kan lagras tills behovet av energi uppstår. Dock finns det utmaningar med att använda vätgas som energikälla. Det uppstår lätt läckage av vätgas samtidigt som den är lättantändlig och explosiv tillsammans med luft. Av den anledningen är det nödvändigt att säkerställa säkerheten under hela produktionskedjan från tillverkning till lagring och slutligen användning. För att göra det behövs vätgassensorer som snabbt kan detektera låga halter av vätgas och på så sätt upptäcka eventuella läckor.

I denna avhandling undersöker jag möjligheten att använda plasmonisk plast, bestående av polymerer och plasmoniska nanopartiklar av metall, som en vätgassensor. I mitt arbete har jag undersökt hur valet av polymer samt kompositens sammansättning påverkar sensorns egenskaper, såsom reaktionstid, känslighet, selektivitet och deras motståndskraft mot andra gaser som kan störa sensorns funktion. Jag visar också hur nanokompositen med hjälp av 3D-printing kan formas till en mängd olika strukturer, bland annat en sensorprototyp som är kompatibel med optiska fiber.

Plastic Plasmonics

Swedish Foundation for Strategic Research (SSF) (RMA15-0052), 2016-05-01 -- 2022-06-30.

Subject Categories

Polymer Chemistry

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology

Materials Science

Infrastructure

Chalmers Materials Analysis Laboratory

ISBN

978-91-7905-953-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5419

Publisher

Chalmers

KC-salen, Kemigården 4.

Opponent: Professor Kamal Asadi, University of Bath, England

More information

Latest update

12/1/2023