ИСТИНА

В настоящем проекте впервые в качестве материалов для газовых сенсоров резистивного типа будут опробованы нанокристаллические сложные оксиды кобальта МхСо(3-х)О4, в которых замещение катионов в кристаллической структуре позволит контролировать реакционную способность во взаимодействии с газовой фазой и электрофизические свойства для достижения оптимальных сенсорных характеристик при детектировании газов в реальных условиях. В ходе выполнения проекта методами химического осаждения и электроформирования нановолокон будут получены нанокристаллические сложные оксиды МхСо(3-х)О4 (М = Ni, Cu, Zn, 0 < x < 0.5). Будут охарактеризованы их элементный состав, электронное состояние Co и М, фазовый состав, параметры кристаллической структуры, параметры микроструктуры и электрофизические свойства. Основное внимание в проекте будет уделено адсорбционным свойствам и реакционной способности МхСо(3-х)О4 во взаимодействии с газовой фазой. Впервые будут установлены корреляции между составом, параметрами микроструктуры, типом и концентрацией активных центров на поверхности МхСо(3-х)О4, их электрофизическими свойствами и сенсорной чувствительностью по отношению к газам различной химической природы. Результаты позволят дать практические рекомендации по выбору и направленному синтезу материалов для высокочувствительных химических сенсоров, которые предоставят дополнительные возможности для более широкой реализации технологий экологического мониторинга, а также медицинской диагностики, основанной на анализе дыхания человека.

In this project, nanocrystalline complex cobalt oxides MxCo(3-x)O4 will be tested for the first time as materials for resistive-type gas sensors, in which the substitution of cations in the crystal structure will allow controlling the reactivity in interaction with the gas phase and the electrophysical properties for achieving optimal sensor characteristics when detecting gases under real conditions. Within the project, nanocrystalline complex oxides MxCo(3-x)O4 (M = Ni, Cu, Zn, 0 < x < 0.5) will be obtained by chemical deposition and electrospinng methods. The elemental composition, the electronic state of Co and M, the phase composition, the parameters of the crystal structure, the parameters of the microstructure and the electrophysical properties of complex oxides will be characterized. The main attention in the project will be paid to the investigation adsorption properties and reactivity of MxCo(3-x)O4 in interaction with the gas phase. The correlations between the composition, the parameters of the microstructure, the type and concentration of active centers on the surface of MxCo (3x)O4, their electrophysical properties, and sensor sensitivity to the gases of different chemical nature will be established for the first time. The results will give practical recommendations for the selection and synthesis of materials for highly sensitive chemical sensors that will provide additional opportunities for a wider implementation of environmental monitoring technologies, as well as medical diagnostics based on the breath analysis.

Задачами проекта являются: 1. Разработка методов направленного синтеза нанокристаллических сложных оксидов кобальта МхСо(3-х)О4 (М = Ni, Cu, Zn, 0 < x < 0.5) с размером кристаллитов, контролируемым в диапазоне 5 – 30 нм, и величиной удельной площади поверхности 30 – 100 м2/г. 2. Установление закономерностей, связывающих природу и содержание катиона М2+, размер кристаллитов, адсорбционные и электрофизические свойства МхСо(3-х)О4. 3. Установление закономерностей, связывающих тип и концентрацию активных центров на поверхности и сенсорные свойства МхСо(3-х)О4 при детектировании основных загрязнителей воздуха (CO, NH3, H2S) и летучих органических соединений (этанола, ацетона, формальдегида) в условиях сухого и влажного воздуха (0% < RH < 60%).

Разработаны методики определения природы и концентрации активных центров на поверхности с использованием методов operando: спектроскопии ИК, зонда Кельвина, парамагнитного резонанса, хромато-масс-спектрометрии, спектроскопии импеданса. Состав и структура сенсорных материалов определяются комплексом взаимодополняющих методов с нанометровым разрешением: просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской и электронной дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновской флуоресцентной спектроскопии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ICP-MS и др. Разработаны методики исследования процессов взаимодействия сенсорных материалов с целевыми газами в воздухе методами термопрограммируемой десорбции и восстановления зондовых молекул (ТПД, ТПВ). Разработана методика нанесения чувствительного материала на микроэлектронный чип. Созданы полностью автоматизированные установки для измерения сенсорного сигнала с системой электронных расходомеров для разбавления поверочных газовых смесей до уровня ПДК. Создана оригинальная система разбавления газовых смесей с концентрацией целевых газов в диапазоне ppb - ppm с использованием в зависимости от целевого вещества источников микропотоков, поверочных газовых смесей, криостата и электронных расходомеров Бронкхорст (Голландия). Созданы измерительные ячейки и разработаны методики определения сенсорных свойств в условиях варьируемой концентрации целевого газа, влажности воздуха, температуры измерений.