Разработка селективного термокаталитического сенсора водорода

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-29-00433

НазваниеРазработка селективного термокаталитического сенсора водорода

Руководитель Баранов Александр Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем

Ключевые слова термокаталитический сенсор, селективность, водород, катализаторы платиновой группы,

Код ГРНТИ59.37.29 59.35.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предполагается, что в ближайшем будущем водород станет одним из основных видов топлива в энергетике. Для этого будет создана необходимая инфраструктура, которая будет включать его производство, хранение, транспортировку, а также систему безопасного использования водорода в энергетике, промышленности и транспорте. При этом, несмотря на экологическую привлекательность, водород является более опасным в обращении, чем природный газ и другие углеводороды. Поэтому необходима система мониторинга утечек водорода и контроль его концентрации в воздухе в диапазоне довзрывных концентраций (от 0 до 4 %об), поскольку в большей части остального диапазона концентрации (от 4 до 75 % об.) смеси водорода и воздуха взрывоопасны. До последнего времени селективным сенсорам водорода в диапазоне довзрывных концентраций не уделялось большого внимания. Существующие термокаталитические сенсоры рассчитаны для измерения всей совокупности горючих газов. Полупроводниковые сенсоры имеют еще худшую селективность, чем термокаталитические сенсоры. Электрохимические сенсоры рассчитаны на диапазон ppm концентраций. А оптические сенсоры не подходят для детектирования водорода в виду отсутствия полосы поглощения водородом инфракрасной энергии в ближней и средней области спектра. Исходя из сказанного, разработка селективных сенсоров водорода является масштабной задачей, требующей комплексного подхода как к созданию катализаторов, так и методик проведения измерений. Научная новизна исследований состоит в том, что катализаторы Ir и Rh в чистом виде или в составе композита, а также в смеси с Pt и Pd ранее не использовались для термокаталитических сенсоров водорода. Научный коллектив, основываясь на том, что Ir и Rh поглощают водород значительно хуже Pt и Pd, выдвинул гипотезу, что реакция каталитического окисления на катализаторах с Ir и Rh будет идти при повышенных температурах. Это является первым шагом для селективного измерения водорода в составе углеводородных смесей, так как позволит подобрать температурные профили нагрева для проведения селективного детектирования водорода. Однако традиционные методы измерения концентрации горючих газов термокаталитическими сенсорами не обеспечивают их селективного измерения. Поэтому необходимо изменить методику проведения измерений и обработки данных, а именно, проводить измерения количества выделившегося при сгорании углеводородной смеси тепла, вместо измерения изменения сопротивления каталитического сенсора. Предлагаемая методика основанная на различии теплоты сгорания водорода и углеводородных газов будет использована впервые. Она позволит селективно выделять водород из смеси других горючих газов (так как водород начинает сгорать при отличной от других углеводородов температуре), что делает возможным с достаточной точностью определить его концентрацию в смеси из других углеводородов). Несмотря на то, что термокаталитические сенсоры разрабатываются уже много десятилетий, для измерения водорода используются те же катализаторы, что для горючих газов и паров. Такой подход не является оптимальным решением по следующим причинам: - из-за низкой селективности сенсоров невозможно выделить водород из состава углеводородной смеси - горение водорода на традиционных Pt-Pd катализаторах начинается, фактически, при комнатной температуре. Это искажает результаты измерений. - в случае концентрации водорода в диапазоне от 4 до 75 %об. термокаталитический сенсор с Pt-Pd катализатором может спровоцировать воспламенение водорода. Актуальность решения проблемы селективности термокаталитических сенсоров повысить качество измерений, проводимых с помощью сенсоров. Это позволит использовать эти сенсоры в водородной энергетике на всех этапах, начиная с производства, хранения, транспортировки и заканчивая его использованием в качестве горючего. Конкретной решаемой задачей будет оптимизация химического состава катализаторов платиновой группы для селективного измерения концентрации водорода в составе углеводородных смесей в диапазоне его довзрывных концентраций (от 0 до 4 %об). Поскольку речь идет о водороде и водородных смесях, то наиболее адекватно измерять концентрацию водорода в атмосфере позволяют сенсоры каталитического типа. Известно, что в случае платино-палладиевых катализаторов каталитическое окисление водорода начинается практически при комнатных температурах, что говорит об эффективности таких катализаторов, но в случае с водородом, скорее является недостатком. Задача исследований состоит в увеличении температуры начала каталитического окисления водорода с комнатных температур до температур чуть выше 100 С. Увеличение температуры начала каталитического окисления водорода позволит избежать ошибок измерения, которые возникают в случае горения водорода при комнатной температуре (т.к. водород "горит" на катализаторе при неработающем сенсоре), уменьшить влияние влаги на результат измерений, а также избежать взрывоопасных ситуаций, если концентрация водорода будет находится в диапазоне воспламенения от 4 до 75 %об. Кроме того, одновременно будут проведены исследования чувствительности, времени отклика и долговременной стабильности. Т.е. тех параметров и характеристик термокаталитических сенсоров, которые имеют важное значение для их широкого практического использования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иван Иванов, Александр Баранов, Сергей Миронов, Саба Акбари Selective Low-Temperature Hydrogen Catalytic Sensor IEEE Sensors Letters, №5, том 6, стр. 1-4 (год публикации - 2022)
10.1109/LSENS.2022.3168230

2. И. И. Иванов, А. М. Баранов, А. Н. Лямин, С. М. Миронов ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СЕЛЕКТИВНОСТИ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКОГО СЕНСОРА ВОДОРОДА НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, том 32, № 2, c. 42–54 (год публикации - 2022)
10.18358/np-32-2-i4254

3. Иванов И.И., Талипов В.А., Баранов А.М. ИССЛЕДОВАНИЕ НАЧАЛА ОКИСЛЕНИЯ ВОДОРОДА НА Pt-Pt КАТАЛИЗАТОРЕ НОВЫЕ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: сборник статей IX Международной научно-практической конференции? 23 ноября 2022г. в г. Пенза, Cборник статей IX Международной научно-практической конференции, Состоявшейся 23 ноября 2022г. в г. Пенза,Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2022, с. 70-71 (год публикации - 2022)

4. Спиракин Д.Н., Баранов А.М., Иванов И.И., Ку Тхань Фонг, Нгуен Нгок Туан A machine learning based approach to selective measurements of hydrogen for catalytic gas sensors Proceedings of 2nd IEEE International Conference on Computation, Communication and Engineering (год публикации - 2023)

5. Иванов И.И., Баранов А.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БЕСПЛАМЕННОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА НА КАТАЛИЗАТОРАХ ПЛАТИНОВОЙ ГРУППЫ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, № 2, том 33, c. 12–23 (год публикации - 2023)

6. Осипова Т.В., Баранов А.М., Иванов И.И. Processing Data from Catalytic Sensors for Recognition of Hydrogen in Mixtures of Combustible Gases 2023 12th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), 23352401, стр. 1-4 (год публикации - 2023)
10.1109/MECO58584.2023.10155082

7. Баранов А.М., Иванов И.И., Карпова Е.Ф. Effects of Flameless Catalytic Combustion of Hydrogen on the Parameters of Catalytic Sensors with Platinum-group Catalysts Sensors and Materials, Vol. 35, No. 11 (2023) 3585–3594 (год публикации - 2023)
10.18494/SAM4621

8. Талипов В. А., Баранов А. М., Иванов И. И., Янян Ц. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ ВОДОРОДА ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, том 33, № 1, c. 30–42 (год публикации - 2023)

9. Талипов В.А., Баранов А.М., Иванов И.И.,Янян Ц. Response of Catalytic Hydrogen Sensors at Low and Negative Ambient Temperatures IEEE Sensors Letters, Vol. 7, Issue: 12, стр. 1-4 (год публикации - 2023)
10.1109/LSENS.2023.3331376

10. Спиракин Д.Н., Баранов А.М., Иванов И.И.,Фонг К. Т. , Туан Н. Н. Machine Learning Based Approach to Selective Measurements of Hydrogen for Catalytic Gas Sensors IEEE. 2022 2nd International Conference on Computation, Communication and Engineering (ICCCE), 22621397, стр. 37 - 40 (год публикации - 2023)
10.1109/ICCCE55785.2022.10036195

Публикации