ИСТИНА

Целью проекта является создание новых двухмерных 2D/МО газочувствительных материалов, которые объединяют в своей структуре 2D подложки на основе графена (GO, rGO) или слоистых халькогенидов (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) и иммобилизованные на их поверхности наночастицы полупроводниковых оксидов металлов МО = SnO2, ZnO, In2O3, Ga2O3, MoO3, WO3.

The goal of the project is to create new two-dimensional 2D/MO gas-sensitive materials that combine in their structure 2D substrates based on graphene (GO, rGO) or layered chalcogenides (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) and nanoparticles of semiconductor metal oxides MO = SnO2, ZnO, In2O3, Ga2O3, MoO3, WO3. The relevance of research on low-dimensional materials is caused by increasing requirements for sensitivity and selectivity, as well as the miniaturization and lowering of power consumption of gas sensors. Two-dimensional 2D materials are of exceptional interest for gas sensors, because they combine, on the one hand, the maximum surface-to-volume ratio, which provides high adsorption and reactivity when interacting with gases, and, on the other hand, the presence of a predominantly single crystallographic plane with a high perfection of the crystal structure, which improves the dynamic properties of sensors, reducing the response and recovery time. The novelty of the project consists in: (i) the idea of combining in one structure 2D substrates based on graphene and its derivatives or layered chalcogenides and semiconductor metal oxides immobilized on the surface of 2D substrates in the form of nanoparticles or nanoplatelets; (ii) complete or partial replacement of thermal heating with photoactivation, which will allow the detection of gases at room temperature and reduce the power consumption of sensors. The photoactivation mechanism will be determined depending on the composition and structure of 2D/MO materials and the nature of the target gas; (iii) in establishing the relationship between the composition and structure of 2D/MO materials and their adsorption properties and reactivity when interacting with major air pollutants. The implementation of the project will allow us to obtain fundamental information about the influence of the composition and microstructure parameters of contacting layers in 2D/MO heterostructures on the electrophysical properties and reactivity of two – dimensional materials in the processes occurring when they interact with different gases. Together with information about thermal stability and sensor characteristics, this will determine the capabilities and limitations of 2D materials to address the main problems of air quality monitoring. Based on the obtained results, the most promising 2D/MO heterostructures and optimal conditions for sensor operation will be determined.

Будут получены следующие результаты: • Методики химического осаждения из растворов и гидротермального синтеза для получения полупроводниковых оксидов SnO2, ZnO, In2O3, Ga2O3, MoO3, WO3 в виде наночастиц с размером кристаллитов 3-50 нм и удельной площадью поверхности 50-200 м2/г. • Методика коллоидного синтеза полупроводниковых оксидов в форме квазидвумерных атомарно-тонких пластинок толщиной 2-5 нм. • Методика иммобилизации наночастиц полупроводниковых оксидов SnO2, ZnO, In2O3, Ga2O3, MoO3, WO3 на поверхность 2D подложек на основе графена (G, GO, rGO) или его аналогов (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2). • Взаимосвязь состава и структуры 2D/МО материалов и условий синтеза. • Результаты исследования стабильности 2D/МО материалов в условиях термоциклирования на воздухе в интервале температур 20-500С. • Адсорбционные свойства двумерных материалов на подложках графена и дихалькогенидов молибдена и вольфрама по отношению к газам с различными кислотно/основными и окислительно/восстановительными свойствами. • Природа и концентрация адсорбционных центров на поверхности 2D/МО материалов в зависимости от 2D подложки, морфологии и размера частиц полупроводникового оксида. • Результаты исследования взаимодействия молекул CO, NH3, H2S, NO2, VOCs (формальдегид, ацетон, этанол, бензол) с поверхностью 2D/МО материалов в режимах термического нагрева и фотоактивации. • Закономерности удерживания и каталитического окисления молекул. Влияние состава и толщины слоя 2D материалов на формирование сенсорного сигнала. • Банк данных по сенсорным свойствам 2D материалов. Будут определены материалы, обладающие селективной чувствительностью при детектировании основных загрязнителей воздуха на уровне ПДК. Проведенные в ходе работы исследования позволят получить фундаментальные знания о влиянии состава и параметров микроструктуры контактирующих слоев в 2D/МО гетероструктурах на электрофизические свойства и реакционную способность двумерных материалов в процессах, протекающих при их взаимодействии газами – основными загрязнителями воздуха. Совместно с информацией о термической стабильности и сенсорных характеристиках это позволит определить возможности и ограничения 2D материалов для решения основных проблем мониторинга качества воздуха По итогам проведенных исследований будут определены наиболее перспективные 2D/МО гетероструктуры и оптимальные условия для работы сенсоров.