Новости

11 декабря, 2017 10:45

Новый датчик водорода будет бороться с загрязнениями и диагностировать болезни

Источник: Индикатор
Группа исследователей объединила полезные свойства фталоцианинов металлов и палладиевых мембран, чтобы создать активные слои датчиков для определения водорода. Такая операция значительно увеличивает чувствительность сенсоров. Об исследовании ученых из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) сообщается в журналах Dyes and Pigments и International Journal of Hydrogen Energy.
Фото: Bloomberg/Getty Images/Indicator.Ru

С одной стороны, датчики водорода решают экологические задачи, среди которых – качественная и количественная оценка содержания различных газов в составе воздуха (например, опасных угарного газа или аммиака). Данные, полученные с помощью таких датчиков, позволят правильно выстроить стратегию борьбы с загрязнением. С другой стороны, есть и медицинский аспект: существует заболевание мальабсорбция, у носителей которого в выдыхаемом воздухе повышено содержание водорода. Если сделать высокочувствительные датчики, способные фиксировать небольшой рост концентрации водорода, это заболевание можно будет успешно диагностировать. Это исследование – еще один этап реализации крупного проекта, поддержанного Российским научным фондом и направленного на разработку высокочувствительных сенсоров для детектирования различных газов.

Детекторы, с которыми работали авторы статьи, состоят из трех слоев. Внизу расположена подложка (она же – проводящий электрод), на нее наносится пленка из фталоцианинов (гетероциклические соединения темно-синего цвета), а поверх этой пленки – палладий. Создать такой датчик непросто. Для этого необходимо получить тонкую пленку фталоцианинов, а потом «положить» сверху слой палладия. Для этого используются прекурсоры – органические соединения, содержащие атомы палладия. В результате нагревания они разлагаются, органические фрагменты испаряются, а атомы металла образуют слой нужной структуры и толщины.

Что касается функционирования датчика, то водород достаточно легко проникает сквозь палладий и, поступая на поверхность пленки фталоцианина, изменяет ее проводимость.

«Сами по себе тонкие пленки фталоцианинов являются полупроводниками. И именно по изменению проводимости мы можем судить о том, "прицепился" водород или нет, и в какой концентрации он содержится в воздухе», — рассказал соавтор исследования Павел Краснов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии СФУ.

Авторы работы впервые получили и исследовали кристаллическую структуру тонких пленок палладиевых фталоцианинов, а также то, как меняют ее структуру атомы фтора в качестве заместителей. Фталоцианин — плоская молекула, на краях которой находятся атомы водорода. Если вместо атома водорода встает другой атом (в данном случае фтора), он называется заместителем.

Интерес к таким объектам появился у ученых после полученных ранее ими же результатов. Они показали, что введение в структуру фталоцианинов атомов фтора увеличивает сенсорный отклик (индикатор чувствительности) этих соединений при взаимодействии с молекулами газов. Дело в том, что фтор – более электроотрицательный элемент по сравнению с водородом, и способен в большей степени «оттягивать» на себя электроны с остальных атомов фталоцианина, включая и атом металла, находящийся в центре. Увеличение положительного заряда атома металла способствует более сильному связыванию молекул газов, поскольку такая связь возникает преимущественно по донорно-акцепторному механизму. Молекула газа является донором электронов (отдает электроны), а атом металла – их акцептором (присоединяет их).

Свою гипотезу ученые из СФУ подтвердили с помощью квантово-химических вычислений, а их коллеги из Института неорганической химии СО РАН — в результате непосредственного проведения экспериментальных работ, позволивших в конечном итоге получить прототипы датчиков.

В дальнейшем ученые хотят проверить возможность использования различных подложек – «посадить» фталоцианины не на электроды, а на углеродные структуры: графен или углеродные нанотрубки. Такая замена позволит получить более сильный отклик, то есть сделать датчик более чувствительным к водороду. Насколько именно вырастет чувствительность, могут показать только эксперименты. Второе перспективное направление исследований – сделать слой палладия более тонким (также для повышения отклика датчика).

14 июня, 2024
Обнаружен эффективный способ предсказания развития отдаленных метастазов при раке молочной железы
Ученые НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН обнаружили ...
14 июня, 2024
Природная аптека: ученые открыли способность растительных пигментов усиливать действие противогрибкового препарата
Российские ученые выяснили, что природные растительные пигменты флавонолы способны в несколько раз у...