Разработан новый нанокомпозитный материал для обнаружения сверхнизких концентраций газов

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.

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).