Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0002

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0002
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук
Название доклада
Совместная разработка чувствительного наноматериала и газового микро- и наносенсора нового поколения
Докладчик
Захарова Галина Степановна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Задачи, на решение которых направлен реализуемый проект: -установление закономерностей в формировании морфологии,
структуры микро- и наноразмерных соединений на основе оксидов переходных металлов (ванадий, молибден ) от природы, состава и
концентрации используемого прекурсора, температуры синтеза, типа иона-допанта, а также влияния на физико-химические
свойства, -разработка научных подходов к управлению параметрами структуры, морфологии, размерных характеристик и
свойствами микро- и 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 структур, -выработка рекомендаций для конструирования микро- и
наносенсоров с повышенными характеристиками.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования обусловлена стремительным развитием промышленности и транспорта в последнее десятилетие , что 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.
Научная новизна проекта – разработка новых подходов к синтезу микро- и наноматериалов на основе оксидов ванадия и молибдена с характерной морфологией (нанотрубки, стержни, полые шары, ремни и др.), модифицированных ионами металлов, и создание на их основе высокочувствительных сенсоров для анализа газовых примесей в воздушных средах
Описание исследования

В процессе выполнения проекта были использованы следующие методики:

1) Гидротермальный синтез микро- и наноразмерных структур на основе оксидов ванадия и молибдена проводили в автоклаве фирмы PARR Instrument Company (США). Указанный автоклав устойчив к коррозии в агрессивных средах. Он выдерживает температуру до 220°С, рабочий диапазон давлений: от 40 до 200 бар. Тефлоновый вкладыш защищает корпус от коррозии. Предохранительный клапан гарантирует максимальную безопасность при эксплуатации.

2) Гидротермально-микроволновой синтез микро- и наноразмерных структур на основе оксидов ванадия и молибдена проводили в реакторе Monowave 300 (Anton Parr, США).Температуру синтеза изменяли в интервале от 1400С до 2200С. Время реакции варьировалось от 0.5 мин до 30 мин.

3) Исследование морфологии микро- и наноразмерных соединений на основе оксида молибдена  и ванадия проводили, используя сканирующий электронный микроскоп Nano-SEM (FEI) со встроенным энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором, а также  высокоразрешающий просвечивающий электронный микроскоп Tecnai F30 (FEI).

4) Термический анализ образцов выполнен на термоанализаторе DTA 409 PC/PG (Netzsch) при скорости нагрева образца 10K/мин от комнатной температуры до 8000С в атмосфере воздуха и в токе азота.

​5) Текстурные характеристики (площадь удельной поверхности, объем пор) определяли при помощи автоматического газо-адсорбционного анализатора Gemini VII фирмы «Micromeritics» по низкотемпературной адсорбции азота. Перед испытаниями свободное пространство над порошками вакуумировали до 10-4 атм при температуре 150 °C в течение 1 ч. Эта процедура позволяла удалять воду и адсорбированные газы с поверхности образцов, которые могут искажать результаты экспериментов. На основе полученных изотерм адсорбции азота был произведен расчет площади удельной поверхности по методу Брунауэра‑Эммета‑Теллера. Анализ пористости материалов был выполнен с использованием данных изотерм десорбции по методу Баррета‑Джойнера‑Халенда.

6) ИК-спектры поглощения регистрировали ИК Фурье спектрометром “Vertex 80» фирмы Bruker в диапазоне 4000–400 см-1. Для съемки спектров исследуемый порошок прессовали с CsI, который  предварительно сушили 10 ч при 400 0С для удаления влаги.

7) Спектры поглощения в УФ и видимой и областях были записаны на спектрофотометре Shimadzu UV-3600 (λ = 310 нм) в диапазоне длин волн 190–830 нм с использованием в качестве стандарта сульфата бария. Оптическую ширину запрещенной зоны определяли по уравнению α(hν) = [A(hν - Eg)3/2], где  α – коэффициент поглощения, hν – энергия фотона, Eg – оптическая ширина запрещенной зоны, А – постоянная, не зависящая от частоты ν, путем аппроксимации наклонного участка прямой, пересекающей ось абсцисс.

8) КР-спектры регистрировали на спектрометре DXR SmartRaman  фирмы "Thermo Scientific», используя лазер с длиной волны 532 нм. Мощность излучения лазера изменяли в пределах 1–8 мВт.

9) Электропроводность микро- и наноразмерных соединений ванадия и молибдена, спрессованного под давлением ~103Па, с втертыми графитовыми контактами, измеряли на постоянном и переменном токе с  частотой 1кГц в атмосфере воздуха с относительной влажностью 12%, а также в вакууме по четырехконтактной схеме прибором Щ301-3.

10) Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре XDR-7000С (Shimadzu) с использование Cu Kα излучения (l = 1.5418 Å). Рентгенографические характеристики соединений рассчитывали методом полнопрофильного анализа FULLPROF-2004.

Результаты исследования

Определены условия получения (температура, рН реакционной массы, время термообработки) микро- и наноструктур на
основе триоксида молибдена орторомбической и гексагональной сингоний, синтезированных гидротермальным и гидротермально-
микроволновым методами. Установлено, что определяющим фактором формирования триоксида молибдена определенной
полиморфной модификации является природа иона-допанта. Найдены условия получения соединений на основе триоксида
молибдена с морфологией наноремней и микростержней. Впервые изучена кристаллическая структура монокристалла
K0.15MoO3. С использованием первопринципных расчетов впервые выполнен сравнительный анализ структурных,
электронных свойств и относительной стабильности двух полиморфных модификаций триоксида молибдена
(орторомбической и гексагональной). Установлено, что обе полиморфные модификации являются полупроводниками с
непрямым типом перехода и запрещённой щелью 2.25 эВ и 2.44 эВ, для α-MoO3 и h-MoO3, соответственно.

В результате исследований определены площадь удельной поверхности, объем и размер пор микро- и наноразмерных соединений на основе триоксида молибдена (α-MoO3 и h-MoO3), ванадатов аммония с различной концентрацией
четырехвалентного ванадия (NH4V3O8, (NH4)2V3O8, NH4V3O7), синтезированных гидротермальным и гидротермально-
микроволновым методами. Определены условия получения образцов с максимальной удельной поверхностью и пористостью.
Найдено, что термическая стабильность наностержней α-MoO3 орторомбической сингонии не зависит от способа его
получения. Определена температура фазового перехода для микростержней h-MoO3, синтезированных впервые по оригинальной
гидротермально-микроволновой методике. Установлено, что температура фазового перехода микростержней h-MoO3 на 50 градусов
выше по сравнению с литературными данными. Исследованы оптические свойства оксидных соединений ванадия и молибдена
различной морфологии и кристаллической структуры с использованием ИК-, КР-, видимой и УФ-спектроскопии. Оптическая
ширина запрещенной зоны, определенная по спектрам поглощения в ультрафиолетовом и видимом диапазоне, свидетельствует
о том, что указанные соединения являются полупроводниками с непрямым типом перехода. Впервые изучены электрические
характеристики (электропроводность, энергия активации проводимости) низкоразмерных ванадатов и молибдатов на воздухе
и в вакууме.

Совместно с коллегами Уханьского технологического университета впервые изучены газосенсорные свойства
микро- и наностержней оксида молибдена орторомбической и гексагональной сингоний, а также оксида молибдена,
допированного ионами кобальта, хрома и никеля относительно этанола, аммиака, метанола, толуола. Также впервые совместно исследованы газосенсорные свойства ванадий-оксидных нанотрубок допированных ионами кобальта и железа
относительно этанола, аммиака, метанола, толуола.

Практическая значимость исследования
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. 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. Потребителями полупроводниковых 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).