Ученые Пензенского государственного университета запатентовали способ для исследования свойств поверхности наноматериалов с неоднородной пористой средой. Подобные материалы составляют основу газовых сенсоров и фотокатализаторов. Газовые сенсоры применяются повсеместно: в химической и горнодобывающей промышленности, для диагностики утечек бытового газа, автомобилестроении. Это лишь некоторые сферы их применения. Предложенный способ сделает диагностику этих элементов точнее и эффективнее. Лабораторные эксперименты показали действенность способа. Исследование выполняется по госзаданию. Об этом сообщают в ТАСС.
Газовые сенсоры — это небольшие элементы огромной системы, которые берут на себя ответственную задачу. Порой от них зависит не только эффективность работы, но жизнь и здоровье людей. Например, газовые датчики, в которых есть чувствительный элемент — газовый сенсор, улавливают присутствие газов в воздухе. Такой датчик может спасти десятки жизней в шахтах, уловив содержание опасного газа (метана) в воздухе. Экологический мониторинг на вредных производствах также проводится с помощью них.
В свою очередь, фотокатализаторы тоже стоят на страже экологии, очищая воду, воздух от опасных веществ. Они широко применяются в очистных системах, химической, фармацевтической промышленности, в промышленной сфере, быту.
Научный коллектив межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ — д-р техн. наук, главный научный сотрудник Игорь Пронин, канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Андрей Карманов, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник Надежда Якушова, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории Илья Плугин, д-р техн. наук, старший научный сотрудник Виктор Сысоев, ассистент, инженер-исследователь Иван Филиппов и д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Вячеслав Мошников — запатентовал способ для диагностики металлооксидных наноматериалов с иерархической структурой, имеющих широкую сферу практического использования. Он пригоден, в том числе, для исследования пористости чувствительности элементов газовых сенсоров и фотокатализаторов, изготавливаемых в виде тонких пленок.
«Мы предлагаем способ исследования свойств наноматериалов, заключающийся в оценке пористости покрытий с неоднородной поверхностью. Этот способ может найти применение в диагностике свойств синтезируемых материалов за счет измерения относительного изменения сопротивления и затем расчета размера пор по предложенным уравнениям», — рассказала Надежда Якушова
Пористость играет большую роль при диагностике свойств материалов. Полученная информация дает представление об организации поверхности, наличии или отсутствии пор, удельной площади и других его свойств. Зная эту информацию, можно предсказать, как будет реагировать покрытие на газы и воду в атмосфере.
Разработанный способ позволит исследовать пористость материала относительно простым методом.
В Пензенском госуниверситете много лет разрабатывают технологии для производства чувствительных элементов газовых сенсоров и фотокатализаторов. Научный коллектив накопил большой опыт.
«На примере газовых сенсоров мы знаем, что на чувствительность и селективность прибора может оказать влияние множество факторов. Пористость — один из таких факторов, который может существенно повлиять на чувствительность хеморезистивного чувствительного элемента», — поделился Андрей Карманов.
В настоящее время повсеместно применяют «классический» способ для измерения удельной поверхности материалов. Например, при помощи специальных приборов с реализованным методом БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера). Отметим, оценивая удельную поверхность, можно оценить и пористость. Этот метод основан на применении теории адсорбции и связан с воздействием сорбируемых газов (например азота). Еще один распространенный метод — метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). При его реализации создается так называемый «гибкий зонд», проникающий в поры. Однако все эти способы довольно трудоемкие и имеют свои ограничения.
Способ ученых ПГУ позволяет определить поры размером менее 2 нм, не прибегая к сложному процессу.
Поясним. Согласно Международной номенклатуре химических соединений ИЮПАК (IUPAC), поры в материале делят на три класса: микро-, мезо- и макропоры. У микропор (субнанопор) диаметр менее 2 нм.
В ПГУ, в отличии от известных способов, предлагают измерять сопротивление материала при воздействии на него паров воды. Концентрация жидкости подобрана учеными специальным образом. Они также вывели специальную формулу для расчета среднего размера субнанопор.
«Предлагаемый способ интересен тем, что определение пористости поверхности можно проводить в одном процессе измерения вместе с определением, например, чувствительности элементов газового сенсора», — рассказала Надежда Якушова.
Способ проверили на большом массиве данных в межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» ПГУ. Исследователи верифицировали свыше 10 серий образцов, в каждой из которых от 5 до 10 экземпляров.
Измерения проводились на установке по исследованию газочувствительности материалов. На пленочные образцы иерархического наноматериала воздействовали паром воды. После оценивался характеристический сигнал (изменение сопротивления материала). Затем с использованием полученных данных рассчитывались средний размер и концентрация субнанопор..
«Результаты проверки показали эффективность применения предлагаемого способа для определения среднего размера субнанопор в иерархических материалах, полученных методом золь-гель технологии на основе оксида цинка», — поделилась результатами эксперимента Надежда Якушова.
Андрей Карманов добавил, что запатентованный способ довольно прост в реализации, особенно если будет применяться на базе уже существующей измерительной установки.
Предлагаемый способ будет прежде всего интересен тем исследователям, кто занимается изучением свойств иерархических наноматериалов. Он найдет широкое применение в химической, фармацевтической промышленности и в лабораториях нанодиагностики.
Работа по исследованию свойств материалов ведется в рамках проекта госзадания «Синтез и исследование перспективных наноматериалов, покрытий и устройств электроники».