Ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Института физики Казанского федерального университета, Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН и Московского физико-технического института создали новый нанокомпозитный материал с улучшенными газочувствительными свойствами, состоящий из оксида цинка с малыми добавками палладия и предназначенный для обнаружения паров ацетона. Эта разработка демонстрирует легко масштабируемый способ получения материалов для высокочувствительных детекторов легколетучих органических соединений. Работа опубликована в октябрьском номере международного журнала Journal of Alloys and Compounds https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176856.
Интенсивное развитие энергетики, химической и металлургической промышленности и параллельное увеличение масштабов переработки и сжигания отходов приводят к росту уровня загрязнения окружающей среды. Для контроля качества воздуха в жилых и производственных зонах необходимо создание селективных, стабильных, высокочувствительных газовых сенсоров. Такие сенсоры находят применение и в медицине — для диагностики заболеваний, где особенно важно обнаружение низких концентраций газов. Традиционные полупроводниковые газовые сенсоры на основе нанокристаллических материалов, например, оксида цинка, имеют ряд серьезных недостатков, прежде всего вследствие низкой селективности и дрейфа сенсорного отклика, вызванного низкой стабильностью микроструктуры при длительной эксплуатации при высоких температурах. Проблема стабильности сенсорных материалов может быть решена за счет создания композиционных материалов, совмещающих в себе два и более полупроводниковых или металлических компонентов.
Коллектив авторов из Москвы, Казани и Кемерово для увеличения чувствительности рецепторного материала газового сенсора предложил декорировать наночастицами палладия более крупные наночастицы оксида цинка. В результате серии синтезов была получена линейка образцов с различным содержанием палладия (от 0.5 до 3%), и изучено его влияние на сенсорные и физико-химические свойства. Методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой удалось с большой точностью подтвердить заданную концентрацию палладия в образцах. Отдельные наночастицы палладия имеют сложную структуру, так называемую структуру «ядро-оболочка», где ядром является металлический палладий, а оболочкой – оксид палладия.
Работу прокомментировал старший научный сотрудник Лаборатории физикохимии керамических материалов ИОНХ РАН, руководитель проекта РНФ, кандидат химических наук Артём Мокрушин: «Идея исследования заключается в целенаправленном модифицировании сенсорного материала, которым является оксид цинка, наночастицами благородных металлов, проявляющих ярко выраженную каталитическую активность. Изучаемые материалы не являются новыми, система оксид цинка/палладий известна достаточно давно. В нашей работе мы стремились разработать такой метод синтеза нанокомпозитов, который позволял бы получать высокочувствительные материалы, был относительно простым и легко масштабируемым, так как область газовой сенсорики является в значительной степени прикладной. В настоящее время, вследствие необходимости импортозамещения, возникла понятная и определенная задача, связанная с разработкой отечественных газовых анализаторов хеморезистивного типа. До сих пор отечественный рынок данного типа сенсоров был представлен в основном дорогими японскими и европейскими, либо низкокачественными китайскими газоанализаторами. В нашей научной группе совместно с индустриальным партнёром проводятся работы, направленные на создание серийного производства газовых сенсоров для детектирования разнообразных газов, например, токсичных – угарного газа и диоксида азота, взрывоопасных – метана и водорода, и др. Декорирование поверхности палладием является удобным и эффективным инструментом для значительного увеличения чувствительности к газам, по отношению к которым палладий проявляет каталитическую активность, например, к летучим органическим соединениям. Мы обнаружили, что полученные нами материалы позволяют детектировать сверхнизкие концентрации ацетона, что является необходимым для неинвазивной диагностики некоторых заболеваний, например, сахарного диабета и рака лёгких. Данное направление только начинает развиваться, но в перспективе мы можем получить недорогой и универсальный прибор для первичной диагностики пациентов».
В результате комплексного исследования полученных нанокомпозитов было установлено, что при декорировании оксида цинка всего 1% наночастиц палладия удаётся на два порядка увеличить отклик к легколетучим органическим соединениям, а также к другим газам. Снижение расхода палладия является важным в экономическом плане и делает методику более доступной и легко масштабируемой. С использованием специального испытательного стенда был выявлен наименьший предел обнаружения ацетона, который составил одну миллиардную долю (100 ppb), что является чрезвычайно низким значением для данного типа сенсоров и указывает на высокую сенсорную чувствительность синтезированного нанокомпозита. Детектирование даже таких низких концентраций можно осуществлять с хорошей воспроизводимостью и достаточно высоким сенсорным откликом.
В дальнейшем авторы планируют разработать эффективные методы синтеза и других нанокомпозитных материалов, которые будут применяться в более сложных мультисенсорных устройствах.
Работа поддержана Российским научным фондом (№ 24-13-00254).
Источник: Artem S. Mokrushin, Ilya A. Nagornov, Yulia M. Gorban, Sofia A. Dmitrieva, Tatiana L. Simonenko, Nikolay P. Simonenko, Marina S. Doronina, Iskander R. Vakhitov, Mikhail S. Nikitenko, Danila Yu. Khudonogov, Olesya V. Vershinina, Elizaveta P. Simonenko «Synthesis of Pd-decorated ZnO nanocomposites with improved gas-sensitive properties for acetone detection», 2024, Journal of Alloys and Compounds, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176856
Микроструктура нанокомпозита оксида цинка с палладием