Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0199

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0199
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Название доклада
Химические и оптические нанокомпозитные сенсоры на основе бинарных металлоксидных материалов
Докладчик
Астапенко Валерий Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Решение важной нанотехнологической проблемы - разработка усовершенствованного метода получения высокоэффективных наноструктурированных смешанных металлоксидных пленок (сенсорных материалов) путем импрегнирования нанокристаллов одного оксида раствором соли другого металла и последующей термической обработки импрегнированного материала.
2. Получение данных о влиянии количественного и качественного состава, структурных и морфологических характеристик сенсорных материалов, синтезированных разработанным методом импрегнирования на их свойства.
3. Изготовление образцов сенсорных материалов и проверка их соответствия требованиям ТЗ (способность определять в течение короткого времени (не более 2 сек) содержание в атмосфере анализируемого газа (в частности, водорода, монооксида углерода и др.) при его концентрации от 10 ppm.
4. Разработка проекта ТЗ на ОТР "Разработка высокоэффективных сенсорных материалов на основе смешанных полупроводниковых металлоксидов".
5. Разработка математической модели сенсорного отклика в наноструктурированных полупроводниковых оксидах.
6. Выяснение возможности и формулировка условий использования наночастиц In2O3 в качестве оптических плазмонных сенсоров
7. Разработка проекта ТЗ на ОКР по теме: "Разработка оптического плазмонного сенсора на основе наночастиц In2O3" с использованием результатов моделирования оптических свойств, указанных наночастиц в различных матрицах.
Актуальность и новизна исследования
Наблюдаемое в последнее время ухудшение экологической ситуации вследствие роста промышленного производства требует разработки высокоэффективных и селективных сенсоров для обнаружения различных загрязняющих веществ в окружающей среде. Исключительно важной задачей является детектирование и определение содержания в атмосфере взрыво- и пожароопасных соединений, а также газообразных веществ, оказывающих вредное влияние на здоровье человека, таких как Н2,CO, NH3, CH4 и другие.
Наиболее перспективными из твердотельных сенсоров являются кондуктометрические химические и оптические сенсоры на основе нанокристаллических полупроводниковых металлоксидов, что обусловлено надежностью и простотой их изготовления и применения. К сожалению, выпускаемые в настоящее время кондуктометрические газовые сенсоры, подавляющее большинство которых основано на использовании одного оксида металла, главным образом, оксида олова, характеризуются относительно низкими чувствительностью и селективностью, а также длительным временем отклика на анализируемые вещества.
Перспективным направлением для увеличения селективности и чувствительности кондуктометрических сенсоров является использование смешанных металлоксидных систем, в которых сочетаются металлоксиды с различными электронными характеристиками и химическими свойствами.
Описание исследования

Основной задачей данного проекта является решение важной нанотехнологической проблемы, а именно разработке усовершенствованного метода получения высокоэффективных бинарных сенсорных материалов на основе наноструктурированных смешанных полупроводниковых металлоксидов путем импрегнирования  нанокристаллов одного оксида раствором соли другого металла и последующей термической обработки импрегнированного материала. Поскольку свойства таких материалов могут зависеть от их количественного и качественного состава, а также  структурных и морфологических характеристик получаемых металлоксидных композитов последующие работы будут сосредоточены на получение данных, характеризующих эти зависимости. С этой целью должны быть наработаны наноструктурированные сенсорные материалы, содержащие различные количества металлоксидных компонентов и определены оптимальные условия синтеза, позволяющие получать материалы с сенсорными свойствами, отвечающими требованиям ТЗ. Основываясь на имеющемся у нас опыте работ с металлоксидными сенсорными материалами, в качестве основных металлоксидных компонентов, которые предполагается применять в дальнейшей работе, будут использованы оксиды индия, церия, цинка и олова.

В рамках данного проекта будут также проведены теоретические исследования сенсорного процесс, конечной целью которых является разработка теоретических основ сенсорного процесса.  Для решения этой задачи в первую очередь необходимо разработать   математические модели сенсорного отклика в наноструктурированных полупроводниковых оксидах и распределения электронов в смешанных наноструктурированных полупроводниковых оксидах. Создание теории сенсорного процесса с участием полупроводниковых металлоксидных соединений будет иметь и практическую важность, поскольку появится возможность предсказания оптимального состава сенсорного материала, который будет характеризоваться необходимыми эксплуатационными свойствами.

Полученные при этом результаты лягут в основу проектов ТЗ на проведение ОКР и ОТР по разработке высокоэффективных химических и оптических сенсорных материалов.
 

Результаты исследования

1. Лабораторная методика синтеза сенсорных материалов методом импрегнирования.

2. Экспериментальные данные о структуре и морфологии металлоксидных частиц в полученных сенсорных материалах.

3. Лабораторная методика определения свойств сенсорных материалов при детектировании различных концентраций анализируемых газов.

4. Экспериментальные данные о проводимости и сенсорных характеристиках получаемых сенсорных материалов при детектировании водорода и СО.

5. Проект ТЗ на ОТР "Разработка высокоэффективных сенсорных материалов на основе смешанных полупроводниковых металлоксидов".

6. Математическая модель распределения электронов в полупроводниковых оксидах.

7. Математическая модель сенсорного отклика в полупроводниковых оксидах. 

8. Физико-математическая модель поглощения и рассеяния электромагнитного излучения на наночастицах In2O3.

9. Компьютерная программа расчета сечений рассеяния и поглощения электромагнитного излучения наночастицами In2O3 в различных матрицах.

10. Проект ТЗ на ОКР по теме: "Разработка оптического плазмонного сенсора на  основе наночастиц In2O3" с использованием результатов моделирования оптических свойств указанных наночастиц в различных матрицах.

11. Не менее 4-х статей, содержащих основные результаты интеллектуальной деятельности, в ведущих научных отечественных и зарубежных журналах, индексируемых в базах данных Web of science и Scopus.

12. Технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.

На основании результатов проекта будет предложен метод получения сенсорных материалов по своим эксплуатационным характеристикам, в первую очередь, сенсорному отклику на восстановительные газы, по крайне мере, не уступающим сенсорным материалам, выпускаемым известными зарубежными фирмами, такими как, например, японская фирма Figaro Engineering Inc., английская фирма Capteur и др.

Практическая значимость исследования
Сенсорные материалы, получаемые с помощью разработанной в данном проекте лабораторной методике синтеза, найдут широкое применение в приборах для мониторинга окружающей среды на предприятиях пищевой, угольной, космической и химической промышленности, МЧС, министерства здравоохранения, министерства обороны, а также предприятиях автомобильного и железнодорожного транспорта.
Результаты, полученные при выполнении данного проекта, после кооперации с другими юридическими лицами позволят перейти к разработке технологии процесса получения высокоэффективных быстродействующих газовых сенсоров на основе смешанных наноструктурированных металлоксидных материалов. Потребность в такого рода сенсорах исключительно велика.
Постер

14.578.21.0199.ppt