AMOLF ontwikkelt loodtest met zonnecelchemie perovskiet

De Nederlandse onderzoekers hebben een eenvoudige test ontwikkeld voor het aantonen van giftig lood door gebruik te maken van de speciale eigenschappen van een perovskiet halfgeleider.

1.000 keer gevoeliger
De spray licht felgroen op in contact met een oppervlak dat lood bevat. De test is 1.000 keer gevoeliger dan bestaande tests en de onderzoekers vonden geen valspositieve of valsnegatieve resultaten. De studie is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Environmental Science and Technology.

‘We hebben de technologie van perovskiet halfgeleiders gekaapt en toegepast voor een breed inzetbare loodtest’, zegt Lukas Helmbrecht, onderzoeker in de groep Self Organizing Matter onder leiding van Wim Noorduin bij AMOLF. ‘Niemand in dit vakgebied had daar ooit aan gedacht. We zijn heel blij met deze resultaten. Het is een heel cool project en het komt niet vaak voor dat fundamenteel onderzoek letterlijk de hele wereld overgaat met een toepassing.’

Zeeëgel
Een paar jaar terug ontwikkelde Noorduins onderzoeksgroep een manier om een kalkstructuur zoals het skelet van een zee-egel in 2 stappen om te zetten in een halfgeleider. Het calciumcarbonaat in het skelet reageert dan tot een loodperovskiet. Dat is een halfgeleidermateriaal dat licht uitstraalt onder een uv-lamp.

Aan huis gekluisterd tijdens de coronapandemie dacht Noorduin na over andere mogelijke toepassingen van dit materiaal. Tegelijk hoorde hij over de grote gezondheidsgevaren die de blootstelling aan lood met zich meebrengt, vooral voor kleine kinderen die er hersenschade aan overhouden. Een simpele test om lood aan te tonen, kan helpen de blootstelling te verminderen en misschien zouden de lichtgevende eigenschappen van het loodperovskiet daarbij kunnen helpen.

Dakgoot
Noorduin nam een oplossing mee naar huis die samen met lood een perovskiet zou kunnen vormen en sproeide die op een dakgoot. Die lichtte onmiddelijk felgroen op, evenals tot zijn verbazing de verf op het kozijn ernaast. Beide oppervlakken bevatten een vorm van lood. Het groene schijnsel is luminescentie en verraadde de vorming van de loodperovskiet halfgeleider.

Noorduin: ‘Dit werkte zo verrassend makkelijk dat we zijn gaan nadenken over het ontwikkelen van een test om lood te detecteren op allerlei oppervlakken.’

Zonnecellen
De test brengt loodconcentraties aan het licht van een nanogram per vierkante millimeter, terwijl bestaande tests hooguit microgrammen per vierkante millimeter detecteren. De nieuwe test is dus 1.000 keer gevoeliger.

Opmerkelijk is dat het niet uitmaakt welke loodverbinding in het materiaal zit, of het metallisch lood is of een van de loodzouten. Noorduin: ‘Het lijkt erop dat alle verbindingen omgezet worden in zogeheten tweewaardig lood. Het verbaast ons niet dat de chemische reactie alleen werkt met lood. Dat weten we uit het werk aan perovskiet zonnecellen en leds. Voor zonnecellen is dat een nadeel, voor onze test een voordeel omdat het hem heel selectief maakt. Dat het voor zoveel verschillende loodhoudende materialen werkt, heeft ons verrast.’

Hoe de chemische reactie precies verloopt is nog onderwerp van onderzoek, zegt Noorduin. ‘We denken dat het een meerstapsproces is, waarbij lood eerst een beetje oplost, eventueel een redoxreactie ondergaat en daarna een loodzout vormt. Dat wordt vervolgens omgezet naar perovskiet. Maar de reactie is zo snel dat we de stappen nog niet kunnen detecteren. De kennis uit deze studie, die tenslotte begon bij het onderzoek naar perovskiet halfgeleiders, kan weer van belang zijn voor hetzelfde onderzoek, bijvoorbeeld om betere zonnecellen of leds van perovskiet te ontwikkelen.’