Вместе эти две добавки увеличивают чувствительность детектора к бензолу и этанолу более чем в четыре раза даже в условиях влажного воздуха. Такие сенсоры могут позволить обезопасить работников промышленных предприятий. Исследование российских ученых о взаимодополняющем эффекте диоксида кремния и золотых наночастиц на свойства газового сенсора из диоксида олова опубликовано в журнале Nanomaterials. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
 |
| Чувствительный элемент газового сенсора из композита на основе диоксида олова и диоксида кремния лежит на подложке оксида алюминия с выводами из платиновой проволоки, измеряющими электропроводность (a) и поддерживающими стабильную температуру (b). |
Летучие органические соединения — распространенная группа загрязняющих веществ, к которой относятся практически все растворители, используемые в лабораторной практике, продукты нефтепеработки, компоненты лакокрасочных покрытий. Все из соединений этой группы в разной степени токсичны для человека. Так, отравление парами этанола приводит к затруднению дыхания, тошноте, головной боли и головокружению, что опасно в первую очередь для работников на промышленных предприятиях. При этом его пары могут взрываться при содержании в воздухе более 3%. Значительно более высокую токсичность имеет бензол, являющийся канцерогеном. Пары бензола также взрывоопасны при содержании более 1%. Поэтому бензол и этанол важно уметь детектировать как для мониторинга состояния окружающей среды, так и работы систем безопасности на предприятиях.
Среди химических газовых детекторов наиболее распространены сенсоры на основе оксидов металлов, например диоксида олова. Пары органических веществ на поверхности чувствительного слоя превращаются в углекислый газ, потому что материал может ускорять химические реакции (проявляет каталитические свойства). При этом электрическая проводимость последнего увеличивается, и специальное оборудование определяет по этому сигналу концентрацию газа. Но оптимальная температура работы таких сенсоров составляет около 300°С, что может вызывать разрушение электрических свойств прибора в процессе эксплуатации. При этом влажность окружающей среды дополнительно снижает чувствительность диоксида олова к газам. В новом исследовании ученые химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова при участии коллег из МГТУ имени Н. Э. Баумана и МГТУ «СТАНКИН» (Москва), а также коллег из Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН (Новосибирск) исследовали способности диоксида кремния и наночастиц золота влиять на чувствительность сенсора из диоксида олова в таких экстремальных условиях.
Чтобы получить материал для сенсора, ученые сначала создали композит из диоксида олова и диоксида кремния. Для этого они долго нагревали основу для материала в водной среде при высоком давлении, а затем полученный порошок композита смешали с коллоидным раствором наночастиц золота и нанесли на подложку из оксида алюминия. Исследователи сравнили сенсор такого состава с тремя другими: без наночастиц золота, без диоксида кремния и совсем без добавок. Сенсор и с наночастицами золота, и с диоксидом кремния проявляет стабильную высокую чувствительность к бензолу при 350 °С и этанолу при 300 °С с увеличением относительной влажности воздуха как минимум до 20%. Более того, сигнал такого сенсора выше в 2 раза по сравнению с сенсором только с наночастицами золота и более чем в 4 раза по сравнению с сенсором из диоксида олова без добавок.
«Диоксид кремния в составе материала увеличивает количество дефектов в кристаллической структуре диоксида олова. Эти дефекты способствуют образованию на поверхности композита положительно заряженных атомов золота, у которых каталитическая активность в разы больше, — объясняет эффект руководитель проекта по гранту РНФ Марина Румянцева, доктор химических наук и профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ. — Обновленный таким образом сенсор можно будет использовать для определения бензола в воздухе после необходимой аттестации».
