Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения нанопористых материалов для анализа свойств газов в энергетике, химической промышленности и медицине

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
компьютерное моделирование, нанопора, размерное квантование, газочувствительность, сенсоры, спектры поглощения молекул, поверхностный заряд, анализ выдыхаемого воздуха.

Цель проекта:
Задача проекта: Разработка технологии получения нанопористых материалов для анализа свойств газов в энергетике, химической промышленности и медицине. Цель проекта: Разработка новых высокоэффективных нанопористых материалов нового поколения для газовых сенсоров с чувствительностью более 10-6 объемных концентраций исследуемого газа, что на порядок выше зарубежных аналогов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов:
1.1 Отчеты о ПНИ включающие выбор направлений и вариантов решения задачи исследований, теоретические и экспериментальные исследования свойств нанопористых материалов, в т.ч. определяющих наиболее эффективную трансформацию спектров поглощения газов, обобщение и оценку результатов исследований.
1.2 Отчет о патентных исследованиях описывающий техническое состояние в области получения нанопористых материалов для анализа свойств газов, методов и оборудования для анализа газов.
1.3 Методика и результаты молекулярно-динамического моделирования кинетических свойств газов в нанопорах различной морфологии и размерности позволяющие изучить особенности распределения плотности газа в объеме нанопоры в зависимости от характера взаимодействия молекул со стенками нанопор.
1.4 Лабораторный регламент получения нанопористых материалов предназначенных для создания регистрирующих элементов измерительных устройств газовых сенсоров с чувствительностью более 10-6 объемных концентраций исследуемого газа.
1.5 ЭКД на макеты лабораторных стендов и макеты лабораторных стендов для получения образцов нанопористых материалов и лабораторных исследований их свойств.
1.6 Экспериментальные образцы нанопористых материалов для создания регистрирующих элементов измерительных устройств газовых сенсоров с чувствительностью более 10-6 объемных концентраций исследуемого газа.
1.7 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера  организации реального сектора экономики.
1.8 Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка газоанализатора с регистрирующим элементом на основе нанопористого материала для анализа свойств газов в энергетике, химической промышленности и медицине».
2. Основные характеристики планируемых результатов научно-технической продукции в целом:
2.1 Разрабатываемые экспериментальные образцы нанопористого материала для регистрирующих элементов измерительных устройств газовых сенсоров должны обеспечивать газочувствительность более 10-6 объемных концентраций исследуемого газа.



Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате выполнения проекта будет создан нанопористый материал, на основе которого будет разработан макет регистрирующего элемента позволяющий осуществлять анализ газов в энергетике, химической промышленности и медицине с газочувствительностью более 10-6 объемных концентраций исследуемого газа, что на порядок выше имеющихся аналогов.
2. Научная новизна предложенного решения состоит в использовании для газоанализа недавно обнаруженного эффекта трансформации спектров поглощения газов наводящихся в нанопорах.
3. Применяемые в настоящее время газоанализаторы обеспечивают газочувствительность не более 10-5 объемных концентраций исследуемого газа, что не обеспечивает решения многих практических задач.
4. Для достижения заявленных результатов выполняется комплекс прикладных научных исследований направленных на создание и выявление характеристик нанопористого материала в зависимости от условий синтеза, закономерностей трансформации газовых спектров в зависимости от свойств нанопористого материала, получение экспериментальных образцов нанопористых материалов с заданными свойствами, взаимодействие с Индустриальным партнеров для разработки и испытания макетов регистрирующего элемента и газоанализатора. Ограничения и риски отсутствуют.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разрабатываемые газочувствительные элементы на основе нанопористых материалов могут использоваться в составе газоанализаторов:
1) в промышленности:
- применение высокоточных газочувствительных сенсоров охватывает множество технологических и экологических задач, где необходим постоянный высокоточный "on-line" контроль газовой среды: следовых количеств газовых выбросов на атомных станциях, предприятиях химической промышленности, микроэлектроники, цветной металлургии и в окружающей среде;
2) в медицине:
- сенсорный анализ выдыхаемого воздуха позволит выявить патологию на той стадии развития, когда другие методы диагностики недостаточно чувствительны.
Научно-технические данные, полученные в проекте, применимы для создания новых газоаналитических приборов и оборудования позволяющих получать информацию о составе газовой среды по следовым количествам анализируемого газа, что повысит эффективность затрат на здравоохранение, технологическую и экологическую безопасность.
2. Практическое внедрение планируемых результатов будет осуществляться Индустриальным партнером (ООО "Специальные технологии") при разработке прибора для неинвазивной диагностики социально значимых заболеваний по выдыхаемому воздуху. В течение 2018-2021 гг. планируется выпустить 190 приборов общей стоимостью 155 млн руб.
3. Будет разработано техническое решение, которое позволит внедрить новые методы диагностики в медицине для обнаружения ряда заболеваний на ранних стадиях, когда традиционные методы диагностики еще малоинформативны. Прогресс в области обнаружения различных химических веществ в окружающей среде, увеличение скорости и точности анализов может изменить механизмы принятия решений, которые первоначально могли быть основаны на неопределенной и неточной информации. Например, возможность измерения чрезвычайно низких количеств загрязнителей воздуха поможет точнее определять возможные риски при развитии новых технологий. Возникнут новые возможности в области безопасности и противодействия терроризму. Также результаты исследований могут быть востребованы в промышленности, например при создании методик и приборов для контроля метаноемкости угольных пород в режиме реального времени, контроля оптически неактивных молекул, например, водорода в нанопористых структурах-аккумуляторах.
4. Уникальность предполагаемых исследований заключается в исследовании нового состояния газов, которое реализуется в нанопорах. Это позволяет получить важные научные результаты, которые будут иметь мировое признание, и создать опережающий научно-технический задел для обеспечения конкурентных преимуществ отечественным производителям на мировом рынке.
Результаты ПНИ представлены на российских и международных научных конференциях. Представление результатов в сети Интернет и в средствах массовой информации обеспечивает популяризацию полученных результатов.

Текущие результаты проекта:
1. Разработана ЭКД и изготовлен макет лабораторного стенда для исследования
свойств экспериментальных образцов нанопористых материалов на основе низкораз-
мерных структур.
2. Разработана Программа и методики испытаний макета, проведены испытания макета лабораторного стенда.
3. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, в том числе:
- компьютерное моделирование особенностей распределения плотности газа в объеме нанопоры в зависимости от характера взаимодействия молекул со стенками нанопор показало, что для создания газочувствительных сенсоров нового поколения наиболее эффективными будут являться нанопористые материалы, характеризующиеся высокой степенью кривизны поверхности нанопор и
зарядом поверхности; корректность результатов моделирования подтверждена
сравнением с данными кинетической теории;
- теоретическое исследование эффектов размерного квантования газа в 2D-
нaнопоре показало, что при температурах эксплуатации газочувствительных сенсо-
ров на основе разрабатываемых нанопористых материалов квантоворазмерные эффекты не будут проявляться и дальнейшая экспериментальная проверка влияния на трансформацию спектров газов эффектов размерного квантования газа не требуется;
- экспериментальные исследования позволили определить удельную поверхность, пористость и размер пор, кислотно-основные характеристики нанопористых материалов в зависимости от условий их получения; определены образцы материалов, характеристики которых позволяют обеспечить эффективную трансформацию спектров газов в нанопорах. Впервые разработан способ получения нанопористого материала SiO2/Al2O3 золь-гель методом для чувствительных элементов газовых сенсоров (подана заявка на патент).
4. В результате исследований зарядовых свойств нанопористых материалов показано, что на дзета-потенциал и поверхностную плотность заряда нанопористых материалов, полученных консолидацией, оказывают влияние температура, время реакции и температура прокаливания. На дзета-потенциал и поверхностную плотность заряда нанопористых материалов, полученных золь-гель методом, оказывает влияние содержание фазы бемита. Получены образцы с различными зарядовыми свойствами, обеспечивающие эффективную трансформацию спектров модельных газов. Впервые разработан способ получения нанопористого материала SiO2/Al2O3 золь-гель методом для чувствительных элементов газовых сенсоров (подана заявка на патент).
5.В результате исследований спектров поглощения модельных газов установлена эффективность трансформации спектров в зависимости от комплекса физико-химических свойств нанопористых материалов. Выбраны образцы нанопористых материалов, обеспечивающих наиболее эффективную трансформацию спектров модельных газов. Впервые выявлены закономерности трансформация спектров газов в нанопористых материалах, полученных консолидацией первичных аноструктурных элементов Al2O3 и аэрогеле SiO2/Al2O3.
6. В результате исследований влияния условий получения нанопористых материалов на их характеристики показано, что наибольшее влияние на текстурные, кислотно-основные и зарядовые свойства нанопористых материалов оказывают температура и время реакции, рН реакционной среды, температура и время прокаливания образцов, предварительная подготовка прекурсора, в образцах материалов, полученных золь-гель методом, - соотношение бемита и оксида кремния.