Разработан новый метод получения высокочувствительных сенсоров к токсичным и легковоспламеняемым газам

31.05.2021



Химики добились существенного повышения чувствительности сенсоров к легкогорючим газам и предложили экономичную технологию их производства. Работа, выполненная при поддержке гранта Президентской программы РНФ, опубликована в журнале Materials Science and Engineering: B.

Взрывы и пожары, возникающие в результате утечки или выброса газов, по-прежнему остаются серьезной проблемой. Одна из частых причин подобных происшествий — смешение горючих газов и паров с воздухом. Чтобы избежать этого, специалисты проводят постоянный мониторинг присутствия в воздухе агрессивных газов и паров.

Особенно исследователей интересует BTEX — группа легкогорючих и крайне токсичных газов, которая включает: бензол, толуол, этилбензол и ксилол (аббревиатура — первые буквы английских названий соединений). BTEX-газы являются простейшими ароматическими соединениями и в большом количестве содержатся в атмосфере экологически неблагоприятных регионов, включая места добычи и переработки нефти. В последнее время они широко используются для оценки общей загрязненности региона. Если компоненты данной группы содержатся в количестве, превышающем предельно допустимые концентрации, то и более сложные, сопутствующие соединения (например, оксиды азота, оксид серы, метан и другие углеводороды) обычно также превышают допустимую норму. Поэтому оптимизация газовых сенсоров, направленная на анализ BTEX-газов, — очень актуальная и практически значимая задача.

«Идея исследования заключается в том, чтобы детектировать простейшие ароматические газы при помощи полупроводниковых газовых сенсоров. BTEX-газы являются побочными продуктами нефтехимического синтеза, а также содержатся в некоторых готовых продуктах лакокрасочной и нефтехимической промышленности (смазочные материалы, топливо, обезжириватели и другие)», — комментирует Артем Мокрушин, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат химических наук, научный сотрудник Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова

Коллективу российских химиков и материаловедов из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН и Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова удалось добиться высокой чувствительности сенсоров для обнаружения токсичных и легко воспламеняемых газов. Для этого они использовали платину, которая считается превосходным катализатором реакции окисления водорода, углеводородов и ароматических соединений, что объясняет увеличение сенсорного отклика на эти газы. Авторы разработали сенсоры четырех составов и применили метод главных компонент, при котором можно селективно разделять сигналы при детектировании выбранных газов.

«Мы получили высокий отклик на бензол и водород, которые являются легко воспламеняемыми газами. Ко всему прочему бензол — крайне токсичный канцероген и нейротоксин, наносящий серьезный вред печени, почкам, селезенке и желудку. Индивидуальный оксид цинка, использованный в нашей работе, один из наиболее широко применяемых материалов в полупроводниковых газовых сенсорах. Он не проявляет высокой чувствительности к BTEX-газам, однако при допировании платиной мы можем значительно увеличить его чувствительность и селективность к бензолу и водороду» — рассказывает Артем Мокрушин.

Новизна предложенного подхода заключается в том, что при создании массива сенсора был применен метод пневматической микроплоттерной печати – аддитивная технология, позволяющая воспроизводимо получать чувствительные слои газовых сенсоров, что создает огромный потенциал для масштабирования производства.

Использованный авторами метод микроплоттерной печати является более выигрышным по сравнению с распространенным методом трафаретной печати, и позволяет с высокой разрешающей способностью наносить чувствительные слои сложного состава, что в дальнейшем может быть успешно использовано для получения многофункциональных миниатюрных мультисенсоров на различные газы.

(jpg, 152 Kб)

 

(jpg, 195 Kб)

Источник: Artem S. Mokrushin, Ilya A. Nagornov, Tatyana L. Simonenko, Nikolay P. Simonenko, Philipp Yu. Gorobtsov, Tamara V. Khamova, Gennady P. Kopitsa, Alexey N. Evzrezov, Elizaveta P. Simonenko, Vladimir G. Sevastyanov, Nikolay T. Kuznetsov. Chemoresistive gas-sensitive ZnO/Pt nanocomposites films applied by microplotter printing with increased sensitivity to benzene and hydrogen. Materials Science and Engineering: B. Advanced Functional Solid-State Materials. 2021. V. 271. P. 115233

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921510721001938?via%3Dihub

 

 

 

©РАН 2021