Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0103

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0103
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет"
Название доклада
Разработка функциональных элементов электроники на основе композиционных металлполимерных наноматериалов
Докладчик
Петров Виктор Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования являлось:
- разработка технологии получения новых композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина и полиакрилонитрила, используемых для изготовления сенсорных элементов и электродов суперконденсаторов;
- разработка функциональных элементов электроники (электродов суперконденсаторов и сенсоров) на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co).
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
- окислительной полимеризацией анилина in situ в присутствии соединений циркония и кремния получен ПАНИ, модифицированный соединениями кремния и циркония, с содержанием Si и Zr в исходном растворе равным 0,63; 1,26; 3,78; 6,30 г.
- двухэтапным методом пиролиза с использованием некогерентного ИК-излучения в условиях невысокого вакуума, в температурном интервале 250-500 0С получены кобальтсодержащие пленки полиакрилонитрила;
- проведены комплексные исследования структуры и свойств полученных композиционных наноматериалов современными методами исследования с применением уникальных установок;
- проведены исследования электрохимических свойств полученных композиционных наноматериалов различными методами.
- изготовлены лабораторные образцы суперконденсаторов на основе полученных ПАНИ, модифицированного соединениями кремния и циркония и проведены их испытания в режиме заряд-разряд для оценки емкостных и ресурсных характеристик.
- изготовлены лабораторные образцы сенсоров диоксида азота и хлора на основе кобальтсодержащего полиакрилонитрила и проведены их испытания.
Актуальность и новизна исследования
Сенсоры газов могут применяться при измерении концентрации загрязняющих газов воздухе, в системах пожарной безопасности, вентиляции и кондиционирования помещений, бытовой и промышленной безопасности и контроля выбросов от транспорта. В настоящее время одной из наиболее распространенных и перспективных систем мониторинга газового состава атмосферы являются полупроводниковые резистивные сенсоры. Использование пленок кобальтсодержащего полиакрилонитрила в качестве газочувствительного материала позволяет обеспечить чувствительность к таким токсичным газам как NO2 и Cl2.
Таким образом, пленки ПАН и металлсодержащего ПАН представляют интерес в качестве чувствительного слоя при создании неподогревного сенсора газа, функционирующего при комнатной температуре.
Для снижения массогабаритных характеристик мобильных устройств необходима разработка суперконденсаторов с высокой плотностью энергии.
К одной из категорий суперконденсаторов относятся псевдоконденсаторы, в которых емкость обусловлена протеканием фарадеевских реакций непосредственно в материале электрода. Здесь для повышения плотности энергии используется свойство псевдоемкости, обусловленное электросорбцией или окислительно-восстановительными реакциями электроактивного электродного материала. Среди материалов, обладающих псевдоемкостью, наиболее распространены полипиролл, полианилин (ПАНИ) и оксиды металлов. Особенно эффективно использовать смешанные структуры для повышения плотности энергии суперконденсаторов.
Проведенный анализ современных российских и зарубежных публикаций позволяет сделать вывод об актуальности указанной тематики.
Описание исследования

При выполнении прикладных научных исследований:

- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы за период 2009 – 2014 гг. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96. Были исследованы, обоснованы и выбраны методы и средства, направления исследований и способы решения поставленных задач;

- проведено теоретическое исследование путей создания композиционных металлполимерных наноматерилов на основе кобальтсодержащего полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr или Si);

- проведено математическое и компьютерное моделирование прогнозирования функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) и полиакрилонитрила с наполнителем (Сo),  разработано соотвтествующее программное обеспечение;

- разработан лабораторный технологический регламент получения и изготовлены экспериментальные образцы композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) и полиакрилонитрила с наполнителем (Сo);

- разработаны лабораторные методики фазово-структурного анализа и измерения функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериловна основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co) и проведены соответствующие измерения, в том числе с применением уникальной научной установки;

- разработана эскизная конструкторская документация и изготовлен макет лабораторного стенда, обеспечивающего проведение измерений функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Сo) и испытания функциональных элементов электроники, которые были проведены;

- разработана методика изготовления, эскизная конструкторская документация и изготовлены лабораторные образцы электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) в количестве не менее 2 штук;

- разработана методика изготовления, эскизная конструкторская документация и изготовлены лабораторные образцы сенсоров на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Сo) в количестве не менее 2 штук;

- разработана Программа и методики исследовательских испытаний лабораторных образцов электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) и лабораторных образцов сенсоров на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Сo), которые были проведены;

- разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co) с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.

-  проведена технико-экономическая оценка результатов ПНИ.

- проведены обобщение и оценка полученных результатов.

Результаты исследования

В результате выполнения работы были получены:

- экспериментальные образцы композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co);

- лабораторный технологический регламент получения композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co);

- экспериментальные образцы композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) имеют  величину внутреннего сопротивления не более 0,3 Ом и величину площади удельной поверхности не менее 800 м2/г;

- экспериментальные образцы композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Co) имеют толщину не более 1 мкм и величину поверхностного сопротивления не менее 106 Ом;

- программная документация для моделирования прогнозирования функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Сo);

- эскизная конструкторская документация на макет лабораторного стенда, обеспечивающего проведение измерений функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Сo) и испытания функциональных элементов электроники;

- макет лабораторного стенда, обеспечивающего проведение измерений функциональных свойств композиционных металлполимерных наноматериалов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Сo) и испытания функциональных элементов электроники;

- методика изготовления лабораторных образцов электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si);

- методика изготовления лабораторных образцов сенсоров на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Сo);

- эскизная конструкторская документация на лабораторные образцы электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si) и лабораторные образцы сенсоров диоксида азота и хлора на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Co);

- лабораторные образцы электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr, Si), имеющие удельную емкость двойного слоя суперконденсатора, построенного на разработанных электродах, не менее 300 Ф/г;

- лабораторные образцы сенсоров на основе полиакрилонитрила с наполнителем (Co), обеспечивающие предел обнаружения диоксида азота и хлора не более 1 ppm; время отклика не более 60 сек; время восстановления не более 600 сек;  температуру активного слоя в рабочем режиме – от +10°С до +190°С;  работоспособность при температурах окружающей среды от 0 до +40°С; стабильную работу при периодическом воздействии газами в течение 1 года.

- технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации композиционных металлполимерных наноматерилов на основе полианилина и полиакрилонитрила с наполнителями (Zr, Si, Co) с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;

- опубликовано 4 статьи в базе данных Scopus и Web of Science;

- послано 2 заявки и получен 1 патент;

- защищена кандидатская диссертация.

Практическая значимость исследования
Планируемые результаты проекта могут быть использованы в перспективных разработках индустриального партнера, а также в приборостроении, энергетике, автомобилестроении, машиностроении и электротехнике.
Сенсоры хлора и диоксида азота могут быть использованы для контроля технологических и экологических газовых сред, с концентрациями хлора и диоксида азота не хуже 1ppm. Для проведения экологических исследований это позволит обеспечить измерение концентраций газов-поллютантов на уровне, соответствующем предельно допустимым концентрациям.
Электроды на основе ПАНИ могут быть использованы для создания твердотельных суперконденсаторов и позволят создавать экологически безопасные твердотельные конденсаторы высокой емкости при малых габаритных размерах.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, изготовление сенсоров газов на основе кобальтсодержащего полиакрилонитрила и электродов суперконденсаторов на основе полианилина с наполнителями (Zr или Si) создали предпосылки для проведения дальнейших опытно-конструкторских работ, направленных на внедрение сенсоров в автоматизированные системы мониторинга техногенных газовых сред.
Полученные результаты являются перспективным для патентования и дальнейшей коммерциализации.
Кроме этого, результаты исследований используются в учебном процессе при чтении лекций, подготовке курсовых работ, бакалаврских исследований, магистерских и кандидатских диссертаций.