|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Фоточувствительные нанокристаллические гибридные материалы для дозиметров оксидов азотаНИР
Photosensitive nanocrystalline hybrid materials for nitrogen oxides dosimeters
- Руководитель НИР: Румянцева М.Н.
- Ответственный исполнитель: Насриддинов А.Ф.
- Подразделение: Кафедра неорганической химии
- Срок исполнения: 1 октября 2020 г. - 1 октября 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 20-33-90083
- Номер ЦИТИС: АААА-А20-120082190051-3
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Функциональные материалы, наноматериалы и технологии
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: переход к высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения
- ПН России: Индустрия наносистем
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.17.15 Неорганическая химия
- Классификатор OECD: Химия – междисциплинарная
-
Ключевые слова:
оксиды азота, дозиметры, реакции твердое-газ, фотоактивация, нанокристаллические полупроводники, гетероциклические комплексы ru(ii), фотопроводимость
dosimeters, photosensitizers, photoconductivity, photoactivation, nanocrystalline semiconductors, ru(ii) heterocyclic complexes, solid-gas interaction, nitrogen oxides -
Описание:
Проект направлен на создание фоточувствительных гибридных материалов, обладающих газовой чувствительностью к оксидам азота (NO, NO2) во влажном воздухе, регенерация электрофизических свойств которых может быть осуществлена за счет излучения видимого диапазона спектра при комнатной температуре. Такие материалы необходимы для сенсорных систем дозиметрического типа, обеспечивающих детектирование низких концентраций (< 1 ppm) оксидов азота в условиях высокой влажности воздуха (90 – 100%).
-
Abstract:
The project is aimed at creating photosensitive hybrid materials with gas sensitivity to nitrogen oxides (NO, NO2) in humid air, whose electrophysical properties can be regenerated by visible light at room temperature. Such materials are necessary for sensor systems of the dosimeter type that provide detection of low concentrations (< 1 ppm) of nitrogen oxides in conditions of high humidity (90 – 100%). Nitrogen oxides NO and NO2 are among the main environmental pollutants produced during transportation, industrial activities, and at high temperatures during combustion. NO2 is an extremely toxic gas, with an average annual dose limit of 30 µg / cm3, which corresponds to an average NO2 concentration of 15.7 ppb. Exhaled nitric oxide NO is a biomarker of inflammatory respiratory and pulmonary diseases, including asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). At the same time, difficulties in quantifying NO in exhaled air are caused by a low level of its concentration (20-200 ppb) against the background of a wide range of other gases and high humidity (90-100%). Thus, detection of nitrogen oxides in low concentrations (< 1 ppm) is an actual task for both environmental air monitoring and non-invasive diagnosis of lung disease. The dosimeter detection principle is a promising approach for reliably detecting low concentrations of target gases. An effective way to regenerate dosimeters can be photodesorption of reaction products from the surface of the sensitive layer activated by visible light. To ensure the sensitivity of wide-band semiconductor oxides to radiation in the visible range, it is necessary to introduce photosensitizers, for example organic dyes. In this project, for the first time, organo-inorganic hybrids based on nanocrystalline indium oxide and Ru(II) heterocyclic complexes able to detect nitrogen oxides at room temperature with visible light regeneration will be tested as sensitive materials for dosimeters. Within the project, nanocrystalline In2O3 with a controlled crystallite size of 5-20 nm and a specific surface area of 50-100 m2/g will be obtained by chemical precipitation followed by thermal decomposition. Hybrid materials will be obtained in the form of powders for the analysis of composition and optical properties, as well as in the form of thick films on microelectronic chips for electrophysical measurements and sensor tests under photoactivation. The microstructure parameters of the materials will be determined by high-resolution scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and low-temperature nitrogen adsorption. The surface composition of the materials will be determined by X-ray photoelectron spectroscopy and IR spectroscopy. The defects in the crystal structure will be investigated by electron paramagnetic resonance and Raman spectroscopy. The optical properties of hybrid materials will be studied by UV-VIS absorption spectroscopy. The reactivity of hybrid materials in interaction with nitrogen oxides will be studied in situ using DRIFT spectroscopy and Raman spectroscopy. The kinetics of the photoconductivity change in dry and humid air and in the presence of target gases, as well as the sensor properties of materials in the dosimeter mode will be studied depending on the composition of the gas phase and photoactivation conditions. The result of the work will be fundamental knowledge about the influence of the parameters of the microstructure of semiconductor oxide, as well as the composition and electronic structure of the photosensitizer on the reactivity of organo-inorganic hybrid materials in the processes that occur when they interact with nitrogen oxides under light irradiation. This will provide practical recommendations on the selection of hybrid materials for detecting NO and NO2 in low concentrations (< 1 ppm) and optimal conditions for sensors to operate in dosimeter mode.
-
Планируемые результаты:
1. Будет синтезирован нанокристаллический оксид индия с размером кристаллических зерен 5-20 нм и величиной удельной поверхности 50-100 м2/г; 2. Будут определены параметры микроструктуры, состав поверхности, электрофизические свойства полученных полупроводниковых матриц, определены взаимосвязи их характеристик с условиями синтеза; 3. Будут получены органо-неорганические гибридные материалы на основе In2O3 с различными параметрами микроструктуры и выбранными гетероциклическими комплексами Ru(II) в форме порошков и толстых пленок; 4. Будут исследованы оптические свойства и проведен анализ состава поверхности органо-неорганических гибридных материалов; 5. Будут получены спектральные зависимости фотопроводимости синтезированных материалов в сухом и влажном воздухе и в присутствии целевых газов; 6. Будет исследована кинетика нарастания и спада фотопроводимости синтезированных материалов в сухом и влажном воздухе и в присутствии целевых газов; 7. Будет получена информация о влиянии параметров микроструктуры нанокристаллического In2O3, строения и электронной структуры гетероциклических комплексов Ru(II) на релаксационные процессы в условиях фотовозбуждения гибридных материалов в воздухе и в атмосфере газов-аналитов; 8. Будет исследована реакционная способность гибридных материалов во взаимодействии с оксидами азота в сухом и влажном воздухе; 9. Будут определены сенсорные свойства полученных материалов при взаимодействии с оксидами азота в режиме дозиметра; 10. Будет исследовано влияние относительной влажности на сенсорные свойства дозиметров оксидов азота.
-
Научный задел:
Разработаны методы синтеза нанокристаллических полупроводниковых оксидов в виде нанонитей, тонких пленок и порошков, которые предназначены для использования в качестве чувствительных материалов для газовых сенсоров. Разработаны оригинальные методики синтеза наноструктур на основе различных полупроводниковых оксидов методами соосаждения из коллоидных растворов, электроспиннига, гидротермального синтеза. Разработаны подходы к направленному модифицированию объема и поверхности полупроводниковых оксидов с целью повышения их селективности, чувствительности и стабильности при взаимодействии с газами различной природы. Разработаны методики и проведено количественное определение адсорбционных центров на поверхности нанокристаллических оксидов, модифицированных каталитическими кластерами. Установлены основные закономерности формирования новых активных центров, определены корреляции между структурными параметрами нанокристаллических оксидов, размером и электронным состоянием каталитических кластеров и сенсорными свойствами материалов при детектировании различных групп газов. Изучено влияние модификаторов на подвижность кислорода в нанокристаллическом диоксиде олова. Разработаны методы направленного синтеза сенсибилизированных материалов на основе нанокристаллических оксидов металлов, квантовых точек А2В6 и A3B5, а также органических красителей - макроциклических и гетероциклических металлорганических комплексов. Установлены основные закономерности влияния облучения светом в видимом диапазоне спектра на реакционную способность нанокомпозитов при взаимодействии с основными загрязнителями воздуха: NO2, H2S, CO и NH3 на уровне предельно допустимых концентраций.
- Добавил в систему: Румянцева Марина Николаевна
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 октября 2020 г.-30 сентября 2021 г. | Фоточувствительные нанокристаллические гибридные материалы для дозиметров оксидов азота |
| Результаты этапа: В соответствии с планом проекта за отчетный период был проведён синтез нанокристаллического оксида индия с размером кристаллитов 13 - 28 нм и удельной площадью поверхности 3 - 72 м2/г, были определены параметры микроструктуры. Содержание хемосорбированного кислорода на поверхности образцов нанокристаллического In2O3 оценивали из данных термопрограммируемого восстановления водородом. Анализ фазового состава и поверхности был проведён методами рентгеновской дифракции, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии. Было исследовано влияние микроструктуры на электрофизические свойства образцов In2O3-300, In2O3-500 и In2O3-700, отожжённых при разной температуре. Были синтезированы гетероциклические комплексы Ru(II) в качестве фотосенсибилизаторов. Была разработана методика получения органо-неорганических гибридных материалов в форме порошков и толстых пленок на основе In2O3 с различными параметрами микроструктуры и выбранными гетероциклическими комплексами Ru(II). Оптические свойства органических и гибридных материалов изучены методом спектроскопии поглощения в видимом диапазоне спектра. Было установлено, что гетероциклические комплексы приводят к смещению диапазона оптической чувствительности материалов в сторону больших длин волн. Элементный состав и состав поверхности полученных органо-неорганических гибридных материалов были исследованы методами рентгенофлуоресцентного анализа, ИК-спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Было проведено исследование кинетики нарастания и спада фотопроводимости гибридных материалов в сухом воздухе. Было установлено, что одним из основных факторов, влияющих на кинетику фотопроводимости, являются структурные дефекты, которые могут выступать в качестве ловушек носителей заряда. Увеличение температуры отжига приводит к упорядочению системы и структурному совершенству, приводящему к уменьшению концентрации ловушек. Были изучены сенсорные свойств гибридных материалов во взаимодействии с оксидами азота в сухом воздухе. Полученные данные показывают, что введение фотосенсибилизатора в нанокристаллический оксид In2O3 приводит к увеличению основных показателей – величины сенсорного сигнала и фотоотклика на 2-3 порядка. Для чистых оксидов сенсорный сигнал коррелирует с размером кристаллических зёрен и удельной площадью поверхности. Однако фотоотклик максимален для образца, отожженного при 500 °С. В данном случае это может быть связано с наличием акцепторных уровней в запрещенной зоне полупроводника. | ||
| 2 | 1 октября 2021 г.-1 октября 2022 г. | Фоточувствительные нанокристаллические гибридные материалы для дозиметров оксидов азота |
| Результаты этапа: В соответствии с планом проекта был проведён синтез нанокристаллического оксида индия с размером кристаллитов 13 - 28 нм и удельной площадью поверхности 3 - 72 м2/г, были определены параметры микроструктуры. Содержание хемосорбированного кислорода на поверхности образцов нанокристаллического In2O3 оценивали из данных термопрограммируемого восстановления водородом. Анализ фазового состава и поверхности был проведён методами рентгеновской дифракции, спектроскопии комбинационного рассеяния и ИК-спектроскопии. Было исследовано влияние микроструктуры на электрофизические свойства образцов In2O3-300, In2O3-500 и In2O3-700, отожжённых при разной температуре. Были синтезированы гетероциклические комплексы Ru(II) в качестве фотосенсибилизаторов. Была разработана методика получения органо-неорганических гибридных материалов в форме порошков и толстых пленок на основе In2O3 с различными параметрами микроструктуры и выбранными гетероциклическими комплексами Ru(II). Оптические свойства органических и гибридных материалов изучены методом спектроскопии поглощения в видимом диапазоне спектра. Было установлено, что гетероциклические комплексы приводят к смещению диапазона оптической чувствительности материалов в сторону больших длин волн. Элементный состав и состав поверхности полученных органо-неорганических гибридных материалов были исследованы методами рентгенофлуоресцентного анализа, ИК-спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Было проведено исследование кинетики нарастания и спада фотопроводимости гибридных материалов в сухом и влажном воздухе. Было установлено, что одним из основных факторов, влияющих на кинетику фотопроводимости, являются структурные дефекты, которые могут выступать в качестве ловушек носителей заряда. Увеличение температуры отжига приводит к упорядочению системы и структурному совершенству, приводящему к уменьшению концентрации ловушек. Сенсорные свойства по отношению к газам-окислителям NO2 и NO исследованы для образцов чистого и модифицированного In2O3 при комнатной температуре в условиях периодической подсветки синим светом и в режиме дозиметров. Установлено, что модификация поверхности In2O3 органическими красителями приводит к увеличению фоточувствительности и воспроизводимого сенсорного сигнала в присутствии NO2 и NO. Немодифицированные полупроводниковые матрицы In2O3 лучше работают в режиме дозиметров, тогда как на гибридных материалах протекает обратимая адсорбция молекул аналита в темновых условиях. Для изучения реакционной способности полученных материалов в атмосфере NO и NO2 было проведено in-situ исследование методом ИК-спектроскопии (DRIFTS). Наиболее интенсивные полосы поглощения при взаимодействии образцов с оксидами азота соответствуют бидентатным нитритным группам - NO2-, которые в случае с диоксидом азота возникают при непосредственном захвате электронов из зоны проводимости полупроводника, а при взаимодействии с NO образование этих групп может быть связано с окислением молекул монооксида азота кислородом, хемосорбированным на поверхности полупроводниковых оксидов. | ||
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".