|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Функционализация нанокристаллических полупроводниковых оксидов металлов для химических сенсоровНИР
Functionalisation of nanostructured semiconductor metal oxides for chemical sensing (FONSENS #096)
- Руководитель НИР: Гаськов А.М.
- Ответственный исполнитель: Румянцева М.Н.
- Участники НИР: Васильев Р.Б., Владимирова С.А., Кривецкий В.В., Марикуца А.В., Чижов А.С., Шаталова Т.Б.
- Подразделение: Кафедра неорганической химии
- Срок исполнения: 1 февраля 2016 г. - 30 августа 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 16-53-76001
- Номер ЦИТИС: 115113070013
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Энергоэффективность и энергосбережение
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.19.31 Полупроводники
- 31.15.19 Химия твердого тела
- 31.17.15 Неорганическая химия
-
Ключевые слова:
сенсорные свойства, характеризация с нанометровым разрешением, расчеты ab initio, полупроводниковые оксиды металлов, нано-сенсоры для окружающей среды и здравоохранения, преконцентраторы
intelligent materials, computational materials science, sensors, nano systems -
Описание:
Миниатюрные химические сенсоры имеют широкие возможности применения в тех случаях, когда традиционные аналитические системы (газовая хроматография, масс-спектрометрия) являются неоправданно дорогими и непрактичными. Селективность и воспроизводимость являются наиболее критическими параметрами полупроводниковых газовых сенсоров на основе оксидов металлов (MOS), поскольку могут являться причинами ложных срабатываний, что существенно ограничивает области применения таких сенсоров. Основной целью настоящего проекта является разработка прорывных технологий в газовой сенсорике, которые обеспечат высокую селективность и чувствительность материалов при сохранении низкой стоимости и низкого энергопотребления датчиков. Эта цель будет достигнута в результате объединения возможностей европейских и российских партнеров. Новая идея заключается в объединении возможностей сетки нанонитей (TiO2, Fe2O3, Nb2O5, SnO2) для разделения и концентрирования токсичных газов и высокой чувствительности полупроводниковых оксидов металлов (SnO2, ZnO, In2O3) для их детектирования. Материалы будут совмещены в одном микроэлектронном чипе с двухуровневой структурой. Такая архитектура сенсора позволит снизить маскирующий эффект нетоксичных газов и повысить чувствительность сенсора за счет предварительного концентрирования целевых газов. Снижение энергопотребления сенсора будет достигнута за счет применения пульсирующего нагрева. Высокая чувствительность и селективность сенсоров позволит детектировать токсичные газы NO2, NH3, CO, H2S, летучие органические соединения (VOCs) в атмосфере. Основная стратегия в улучшении селективности базируется на контроле активных центров на поверхности, отвечающих за взаимодействие с аналитом. Этот эффект достигается за счет иммобилизации каталитических модификаторов на основе благородных металлов Au, PtOx, PdO, RuO2 и оксидов переходных металлов CuO, NiO, Fe2O3, La2O3, MoO3. Проект представляет междисциплинарное исследование в области изучения фундаментальных аспектов формирования сенсорного сигнала в зависимости от условий синтеза материалов, структуры их поверхности, химического состава, распределения модификаторов между объемом и поверхностью полупроводниковой матрицы.
-
Abstract:
The project aims at the development of novel highly sensitive and reliable chemical gas sensors with the double-decker metal oxide semiconductor (MOS) architectures. The compartmentalized sensor construction will be based on two spatially separated MOSs with different affinities towards the analytes. The compartment I will consist of self-supporting MOS nanofiber meshes to serve as a chemical stimulus-driven molecular pre-concentrator. The compartment II will be based on surface-attached MOS grown on commercial micro-hotplate platforms, chemically modified to controlling surface acid-base and redox interactions through tuning the concentration of catalytic clusters. The clusters should improve the selectivity by increasing the specificity of adsorption sites and spill-over effect. The nano-scaled MOSs of different dimensionalities will be synthesized by solution and gas phase techniques. The type and concentration of surface active centers will be analyzed by complementary local characterization techniques, operando studies and computational approaches. The mechanism of the catalytic action will be defined by linking together experimental data and DFT-based calculations on the blank and modified surfaces. The sensor performance will be tested on the prototypes fabricated on microelectronic hotplates.
- Добавил в систему: Румянцева Марина Николаевна
Соисполнители НИР
| University of Antwerp | Соисполнитель |
| University of Cologne | Соисполнитель |
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 февраля 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Функционализация нанокристаллических полупроводниковых оксидов металлов для химических сенсоров |
| Результаты этапа: За отчетный период изучены материалы для концентрирования оксидов азота NOx, разработаны методики и синтезированы сорбенты на основе цеолитов со структурами типа FAU (цеолит Y) и MFI. В качестве модификаторов изучены ионы: Na+, Mg2+, Cu2+, Co2+. Закономерность влияния состава и структуры сорбентов на эффективность удерживания диоксида азота оценивалась методом контролированной адсорбции-термодесорбции газовой смеси NO2/воздух с постоянной концентрацией NO2. Полное извлечение оксидов азота из потока. демонстрируют цеолиты, модифицированные ионами меди. Разработаны методики золь-гель синтеза и допирования нанокристаллических широкозонных полупроводниковых оксидов SnO2, In2O3 и ZnO с контролируемым размером кристаллитов. Параметры микроструктуры материалов контролировали путем подбора температуры отжига в диапазоне 300-700С. Разработаны методики функционализации поверхности сенсорных материалов каталитическими добавками Au, Pd, Ru и Pt. Размер кластеров модификаторов контролировали температурой отжига материалов. Комплексом методов ПЭМ, СПЭМ, EDXи EELS проведено исследование микроструктуры нанокристаллических полупроводниковых оксидов, показано что каталитические добавки локализованы преимущественно на поверхности частиц полупроводникового оксида. Золото образует более крупные металлические наночастицы, чем оксид-носитель, остальные модификаторы находятся в окисленном состоянии. По данным РФЭС и ЭПР, в состав кластеров PdOx также входят атомы нульвалентного Pd и небольшая доля катионов Pd3+, а в состав кластеров RuOy– катионы Ru3+. Совместно с Бельгийскими партнерами проведены теоретические расчеты методом DFTдля стабильных поверхностей ZnO с целью определить предпочтительное положение допирующих примесей Ga, In и влияние катионного замещения на структуру поверхности ZnO. Допирование поверхности индием способствует увеличению энергии адсорбции СО. Это сопровождается усилением акцепторного действия поверхности, которое проявляется в увеличении переноса заряда с СО на поверхность ZnO(In). Комплексом методов в условиях ex situ, in situ и operando исследовано взаимодействие сенсорных материалов с газами с целью определения адсорбционных и реакционных центров на поверхности полупроводниковых оксидов. Помимо кластеров каталитических модификаторов PdOx, RuOy, Au, NiO, PtO на поверхности сенсорных материалов детектированы окислительно-восстановительные и кислотно-основные активные центры. Окислительные центры исследованы методом термопрограммируемого восстановления (ТПВ) водородом. Кислотные центры на поверхности образцов исследованы методами термопрограммируемой десорбции (ТПД), ИК-спектроскопии и термогравиметрии. Работа по проекту проведена в тесном взаимодействии с Европейскими партнерами. Исследование кристаллической структуры и микроструктуры нанокристаллических материалов, распределения каталитических кластеров на поверхности сенсорных материалов проведено с использованием возможностей просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения университета г. Антверпен, Бельгия. Теоретические расчеты поверхности оксида цинка в условиях адсорбции также проведены совместно с университетом г. Антверпена. Уникальное оборудование и CVD технологии университета г. Кельн, Германия использованы для модифицирования поверхности нанокристаллического диоксида олова. | ||
| 2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Функционализация нанокристаллических полупроводниковых оксидов металлов для химических сенсоров |
| Результаты этапа: За отчетный период продолжена работа по созданию нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов цеолитов. С целью повышения стабильности сенсорных материалов разработаны условия пришивки бетта-цеолита на поверхность полупроводникового оксида с использованием методов золь-гель и гидротермального синтеза. Модифицирование бетта-цеолита благородными металлами Pd и Pt и выбор температуры отжига позволил получить сенсорный материал с высокой чувствительностью при детектировании СО в воздухе при температуре близкой к комнатной. Основное внимание за отчетный период уделено исследованию возможности бифункциональной модификации поверхности сенсорных материалов. Впервые проведена модификация поверхности совместно сульфат ионами SO42- и кластерами оксида рутения RuO2. Разработанная методика позволяет одновременно повысить кислотность и каталитические свойства поверхности, что приводит к селективной чувствительности диоксида олова при детектировании аммиака. Использование биметаллических катализаторов, состоящих из двух различных металлов Pt/Pd позволяет детектировать угарный газ в условиях высокой влажности. На примере нанокомпозитов p-CoOx/n-SnO2 проведено исследование материалов, включающих полупроводниковые оксиды разного типа проводимости. Уникальное оборудование и CVD технологии университета г. Кельн, Германия использованы для модифицирования поверхности нанокристаллического SnO2 оксидом кобальта. Определен эффект межзеренного энергетического барьера на электрофизические и сенсорные свойства p-n наногетероструктур. Селективная чувствительность нанокомпозитов p-CoOx/n-SnO2 к H2S вызвана обратимыми химическими реакциями оксида кобальта с сероводородом, в результате которых образуется хорошо проводящий сульфид кобальта, снимаются энергетические барьеры и повышается электропроводность сенсорного материала. Работа по проекту проведена в тесном взаимодействии с Европейскими партнерами. Комплексом методов с нанометровым разрешением с использованием возможностей просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения университета г. Антверпен, Бельгия в изучены особенности распределения состава и микроструктура нанокомпозитов. Взаимодействие сенсорных материалов с газами исследовано в условиях ex situ, in situ и operando, определены природа и концентрация преобладающих адсорбционных центров на поверхности полупроводниковых оксидов. Окислительные центры исследованы методом термопрограммируемого восстановления (ТПВ) водородом. Кислотные центры на поверхности образцов исследованы методами термопрограммируемой десорбции (ТПД), ИК-спектроскопии и термогравиметрии. Изучены корреляции состава, строения, адсорбционных и сенсорных свойств нанокомпозитов при детектировании оксидов азота NOx, сероводорода H2S, угарного газа CO и аммиака NH3 в воздухе. Закономерность влияния состава и структуры сорбентов на эффективность концентрирования токсичных газов изучено методом контролированной адсорбции-термодесорбции газовых смесей, содержащих токсичные газы. | ||
| 3 | 1 января 2018 г.-30 августа 2019 г. | Функционализация нанокристаллических полупроводниковых оксидов металлов для химических сенсоров |
| Результаты этапа: - Определены основные закономерности процесса адсорбции CO, NH3, H2S, SO2 на поверхности нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов и цеолитов. - Иммледовано влияние влажности на природу и концентрацию адсорбционных центров на поверхности нанокомпозитов. - Изучены процессы взаимодействия нанокомпозитов с газами CO, NH3, H2S, NO2 в условиях контролируемой влажности и концентраций на уровне ПДК. - Определены составы и структура материалов для селективного детектирования основных примесей в воздухе в условиях высокой влажности - Определены термические условия достижения максимального концентрирования целевых газов | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".