Новости

12 мая, 2020 12:10

Диоксид кремния и наночастицы золота увеличили чувствительность газовых сенсоров в 4 раза

Вместе эти две добавки увеличивают чувствительность детектора к бензолу и этанолу более чем в четыре раза даже в условиях влажного воздуха. Такие сенсоры могут позволить обезопасить работников промышленных предприятий. Исследование российских ученых о взаимодополняющем эффекте диоксида кремния и золотых наночастиц на свойства газового сенсора из диоксида олова опубликовано в журнале Nanomaterials. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Чувствительный элемент газового сенсора из композита на основе диоксида олова и диоксида кремния лежит на подложке оксида алюминия с выводами из платиновой проволоки, измеряющими электропроводность (a) и поддерживающими стабильную температуру (b). Источни

Летучие органические соединения — распространенная группа загрязняющих веществ, к которой относятся практически все растворители, используемые в лабораторной практике, продукты нефтепеработки, компоненты лакокрасочных покрытий. Все из соединений этой группы в разной степени токсичны для человека. Так, отравление парами этанола приводит к затруднению дыхания, тошноте, головной боли и головокружению, что опасно в первую очередь для работников на промышленных предприятиях. При этом его пары могут взрываться при содержании в воздухе более 3%. Значительно более высокую токсичность имеет бензол, являющийся канцерогеном. Пары бензола также взрывоопасны при содержании более 1%. Поэтому бензол и этанол важно уметь детектировать как для мониторинга состояния окружающей среды, так и работы систем безопасности на предприятиях.

Среди химических газовых детекторов наиболее распространены сенсоры на основе оксидов металлов, например диоксида олова. Пары органических веществ на поверхности чувствительного слоя превращаются в углекислый газ, потому что материал может ускорять химические реакции (проявляет каталитические свойства). При этом электрическая проводимость последнего увеличивается, и специальное оборудование определяет по этому сигналу концентрацию газа. Но оптимальная температура работы таких сенсоров составляет около 300°С, что может вызывать разрушение электрических свойств прибора в процессе эксплуатации. При этом влажность окружающей среды дополнительно снижает чувствительность диоксида олова к газам. В новом исследовании ученые химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова при участии коллег из МГТУ имени Н. Э. Баумана и МГТУ «СТАНКИН» (Москва), а также коллег из Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН (Новосибирск) исследовали способности диоксида кремния и наночастиц золота влиять на чувствительность сенсора из диоксида олова в таких экстремальных условиях.

Чтобы получить материал для сенсора, ученые сначала создали композит из диоксида олова и диоксида кремния. Для этого они долго нагревали основу для материала в водной среде при высоком давлении, а затем полученный порошок композита смешали с коллоидным раствором наночастиц золота и нанесли на подложку из оксида алюминия. Исследователи сравнили сенсор такого состава с тремя другими: без наночастиц золота, без диоксида кремния и совсем без добавок. Сенсор и с наночастицами золота, и с диоксидом кремния проявляет стабильную высокую чувствительность к бензолу при 350°С и этанолу при 300°С с увеличением относительной влажности воздуха как минимум до 20 %. Более того, сигнал такого сенсора выше в 2 раза по сравнению с сенсором только с наночастицами золота и более чем в 4 раза по сравнению с сенсором из диоксида олова без добавок.

«Диоксид кремния в составе материала увеличивает количество дефектов в кристаллической структуре диоксида олова. Эти дефекты способствуют образованию на поверхности композита положительно заряженных атомов золота, у которых каталитическая активность в разы больше, — объясняет эффект руководитель проекта по гранту РНФ Марина Румянцева, доктор химических наук и профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ. — Обновленный таким образом сенсор можно будет использовать для определения бензола в воздухе после необходимой аттестации».

17 января, 2022
Новая 3D-модель поможет в разработке препаратов для лечения поздней стадии рака груди
Российские ученые разработали трехмерную клеточную модель рака молочной железы, который приобрел лек...
13 января, 2022
Предложен экологически чистый способ синтеза пористых полимеров
Российские ученые предложили экологически чистый способ создания мезопористых полимерных материалов,...