Регистрация / Вход
Прислать материал

Совместная разработка чувствительного наноматериала и газового микро- и наносенсора нового поколения

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
гидротермальный синтез, морфология, наноматериалы, оксид, ванадий, молибден, допирование, свойства, сенсор

Цель проекта:
Cтремительное развитие промышленности и транспорта в последнее десятилетие привело к резкому увеличению содержания различных газов-загрязнителей в воздухе, представляющих опасность как с экологической точки зрения, так и с точки зрения возможности вызова техногенных катастроф (массовых отравлений, взрывов, пожаров и т.д.). В качестве средств защиты и предупреждения экологических и техногенных катастроф предложено использовать сенсоры, чувствительные к различным токсичным веществам и газам. На сегодняшний день в современной технике широко используются химические сенсоры на основе объемных материалов, позволяющие с высокой точностью и хорошей воспроизводимостью определять малые концентрации различных химических агентов. Однако существующие сенсоры обладают существенным недостатком, который с учетом развития портативной электроники, является критическим. Важнейшими проблемами объемных сенсоров являются низкая селективность и значительные габаритные размеры, исключающее их использование как портативные сенсорные устройства. Кроме того, до сих пор не решена важнейшая проблема: селективное определение с высокой чувствительностью и стабильностью химического агента в многокомпонентной среде. Задачи, на решение которой направлен реализуемый проект: -установление закономерностей и зависимости влияния состава, концентраций, температуры, природы прекурсоров, типа иона-допанта на размеры, морфологию, структуру и физико-химические свойства низкоразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов (ванадий, молибден), -разработка научных подходов к управлению параметрами структуры, морфологии, размерных характеристик и свойствами наноматериалов, -разработка рекомендаций и предложений по выбору условий синтеза для определения оптимальных условий формирования микро- и наносенсорного материала, -оценка сенсорных свойств (чувствительность, селективность, стабильность) синтезированных наноструктур, -выработка рекомендаций для конструирования микро- и наносенсоров с повышенными характеристиками. Целью настоящего проекта является синтез, исследование свойств микро- и наноматериалов на основе оксидов переходных металлов, обоснование их применения в качестве чувствительного материала и газовых микро- и наносенсорах, обладающих высокой селективной чувствительностью к токсичным и взрывоопасным газам.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные результаты проекта: Определены условия получения (температура, рН реакционной массы, время термообработки, концентрация компонентов) низкоразмерных ванадатов аммония NH4V3O8 и NH4V3O7 гидротермальным и гидротермально-микроволновым методами. Установлено, что определяющим фактором получения однофазного продукта является кислотность реакционной массы. Найдены условия гидротермального получения микрочастиц NH4V3O8 различной морфологии (в форме ремней, пластин, челнока и цветов). Впервые соединение NH4V3O8 синтезировано гидротермально-микроволновым методом. Получена новая модификация NH4V3O7. Соединение кристаллизуется в моноклинной сингонии с параметрами элементарной ячейки a = 12.247(5) Å, b = 3.4233(1) Å, c = 13.899(4) Å, β = 89.72(3)°, V = 582.3(4) Å3 (простр. гр. P21). Изучено ионное состояние ванадия, азота, кислорода в низко-размерных ванадатах аммония. С использованием первопринципных расчетов впервые выполнен сравнительный анализ структурных, электронных свойств и относительной стабильности девяти возможных полиморфных модификаций ванадата состава NH4V3O7. Определены условия получения наноструктур на основе оксида молибдена, допированного ионами переходных металлов и аммиака, при гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработке. Найдены условия получения наночастиц MxMoO3 (M = Cr, Co, Ni, NH4) различной морфологии (в форме стержней, цветов). Изучено ионное состояние молибдена, кислорода. С использованием первопринципных расчетов впервые выполнен сравнительный анализ структурных, электронных свойств и относительной стабильности триоксида молибдена орторомбической и гексагональной сингоний.
Ожидаемые научные результаты: 1) новые подходы к синтезу соединений на основе оксидов ванадия и молибдена, позволяющие получать низкоразмерные соединения с заданными структурными и морфологическими характеристиками; 2) лабораторные образцы низкоразмерных соединений на основе оксидов ванадия и молибдена; 3) полная характеризация синтезированных микро- и наноматериалов, на основании которой будут даны рекомендации для возможного их использования в качестве материала полупроводникового газового сенсора; 4) результаты тестирования сенсорных свойств.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом явятся разработка рекомендаций по использованию синтезированных низкоразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов (ванадий, молибден) для изготовления микро- и наносенсоров нового поколения.
2. Впервые использован гидротермально-микроволновой метод для синтеза низкоразмерных ванадатов аммония. Получена новая модификация NH4V3O7. Впервые выполнен сравнительный анализ структурных, электронных свойств и относительной стабильности девяти возможных полиморфных модификаций ванадата состава NH4V3O7.
3. Мировых аналогов нет.
4. Развитие исследования в работе предполагается осуществить по следующими этапам: 1) разработка методик получения низкоразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов (ванадий, молибден) с уникальной морфологией, 2) гидротермальный синтез и полная характеризация низкоразмерных металл-оксидных структур, 3) исследование влияния условий синтеза, природы и характеристик прекурсора, иона-допанта на физико-химические и электрофизические свойства низкоразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов, 4) корректировка методики формирования наносоединений с заданными характеристиками, 5) проведение тестовых испытаний синтезированных соединений в качестве газочувствительного материала по отношению к парам воды, этанола, метанола, толуола, аммиаку, 6) разработка рекомендаций по использованию синтезированных низкоразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов (ванадий, молибден) для изготовления микро- и наносенсоров нового поколения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Созданные газовые сенсоры могут использоваться в системах автоматической пожарной сигнализации. Также газовые сенсоры способны детектировать опасные для организма человека количества вредных газов в воздушной смеси. Сенсоры, обладающие высокой чувствительностью и селективностью, способные работать в широком диапазоне концентраций и при различных значениях температуры и влажности, могут найти широкое практическое применение в экологическом мониторинге химических предприятий и определении повышенных концентраций вредных газов в быту и на производстве. Сенсорами могут быть оснащены дома, оборудованные газовыми плитами или газовыми системами отопления. В связи с распространенностью газа в быту и участившимися в последние годы случаями утечки и взрывов газа вопрос обеспечения безопасности жилищ особенно актуален.
Потребителями газовых сенсоров является производство воздухоочистителей, кондиционеров и систем вентиляции помещений. Газовые сенсоры используются в автомобильной электронике (система кондиционирования, климат-контроль салона, детекторы взрывоопасных газов для газовых двигателей). Также газочувствительные сенсоры могут быть использованы в качестве промышленных и медицинских алкогольных сенсоров, анализаторов для предприятий, производящих изделия органической химии, детекторов утечки фреона для холодильных установок, датчиков системы вентиляции в жилых и офисных зданиях и т. д.

Текущие результаты проекта:
Разработанные условия получения ванадатов аммония в гидротермальных и гидротермально-микроволновых условиях позволили синтезировать NH4V3O8 и NH4V3O7 с уникальной морфологией, обеспечивающей высокую площадь удельной поверхности. Полученные соединения характеризуются различным соотношением четырех- и пятивалентного ванадия, что позволит в дальнейшем при изучении сенсорных свойств данных соединений установить влияние зарядового состояния ванадия на адсорбционную активность кислорода и, следовательно, сенсорный отклик.
Разработаны условия гидротермального получения наноразмерного триоксида молибдена, допированного ионами переходных металлов и аммония, позволяющие повысить термическую и морфологическую стабильность триоксида молибдена на 50 - 70 градусов.