Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » В.А. Бузановский, "Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов". Часть 1.

Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов. Часть 1




В.А. Бузановский

В статье представлены результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов в течение последних лет. При систематизации указанной информации в соответствии с конструкционными особенностями чувствительных элементов выделены типы и подтипы названных устройств. Оценены аналитические возможности газовых наносенсоров на основе металлов. В частности, продемонстрирована способность этих устройств к определению довольно большого числа органических и неорганически! химических соединений, показано влияние морфологий, геометрии и состава покрытия чувствительных элементов наносенсоров на чувствительность и селективность измерений, время установления показаний, время возврата показаний к начальной величине, а такие другие технико-экономические показатели. В результате анализа факторов, влияющих на аналитические возможности газовых наносенсоров на основе металлов, определены приоритетные направления улучшения метрологических характеристик данных устройств.

ВВЕДЕНИЕ

Газовым наносенсором называют устройство, изготовленное с применением нанотехнологий и предназначенное для количественного определения химических соединений в газообразной среде. Основными составными частями газового наносенсора являются чувствительный элемент и измерительный преобразователь. При этом воздействие анализируемой среды сопровождается изменением электрических, оптических, механических или других свойств чувствительного элемента, которое фиксируется измерительным преобразователем [1, 2].

Несмотря на то, что создание газовых наносенсоров является сравнительно новым направлением развития аналитического приборостроения, анализ конструкционных особенностей разработанных устройств свидетельствует об их существенном различии и многообразии. Чувствительные элементы наносенсоров могут изготавливаться на основе разнообразных материалов - углеродных нанотрубок, полимеров, металлов, оксидов металлов, а их измерительные преобразователи основываться на использовании кондуктометрического, рефрактометрического, люминесцентного или других методов измерений [1,2].

Цель настоящей работы состоит в попытке систематизировать результаты последних разработок газовых наносенсоров с чувствительными элементами на основе металлов, оценить аналитические возможности этих устройств, а также проанализировать направления улучшения их метрологических характеристик.

Предварительный анализ накопленной информации свидетельствует о том, что чувствительные элементы указанных наносенсоров могут состоять или содержать покрытие: 1) только из металла, 2) из металла с нанесением слоя другого материала, 3) из композиционного материала на основе металла. Рассмотрим аналитические возможности перечисленных типов наносенсоров.

Наносенсоры с чувствительными элементами, состоящими или содержащими покрытие только из металла

При создании чувствительных элементов названных устройств довольно часто применяется палладий. Например, для определения водорода во влажном гелии или аргоне были разработаны два наносенсора, чувствительные элементы которых содержали проволоку из этого металла. В состав первого устройства входили чувствительный элемент, представлявший собой палладиевую проволоку с диаметром 400 мкм, и измерительный преобразователь, фиксировавший скорость прохождения ультразвуковых волн вдоль нее. Наносенсор характеризовался диапазоном измерений водорода от 0,1 до 100% при температуре чувствительного элемента от 200 до 400 °С. Причем, время установления показаний составляло 30 с при температуре 180 °С и 8 с - при 380 °С. Второе устройство состояло из чувствительного элемента, являвшегося палладиевой проволокой с диаметром 50 мкм, намотанной на керамическую трубку, и кондуктометрического измерительного преобразователя. Данный наносенсор обладал диапазоном измерений от 1 до 100% при температуре чувствительного элемента от 150 до 300 °С и временем установления показаний 1-2 с (при температуре 300 °С) [3].

Также было предложено объяснение механизма действия палладиевых наносенсоров при контакте с водородом. Предполагалось что палладий содержит агломератные зерна, разделенные внутренними разрывами. Водород, диффундируя в этот металл, химически взаимодействует с ним и образует гидриды:

2 Pd + х Н2 -> 2 PdHx.

В результате данного процесса объем палладия увеличивается, а внутренние разрывы между его агломератными зернами частично или полностью ликвидируются. Сказанное приводит к увеличению однородности структуры металла и, как следствие, к уменьшению его электрического сопротивления. При снижении концентрации водорода в газообразной среде процесс идет в обратном направлении - гидриды палладия распадаются, объем металла уменьшается, а внутренние разрывы между агломератными зернами возобновляются (однако обычно уже не в первоначальном положении). В итоге, однородность структуры палладия снижается и электрическое сопротивление возрастает. Экспериментально было установлено, что описанный механизм действия наблюдается при концентрациях водорода от 1 до 10%. Кстати, в зависимости от концентрации указанного химического соединения время установления показаний может составлять от 0,02 до 5 с [4-6].

Наряду с этим было замечено существенное влияние на механизм действия палладиевых наносенсоров морфологии и геометрии (в том числе толщины) покрытия их чувствительных элементов. Так, при воздействии водорода электрическое сопротивление устройств с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из нанопроводов палладия, часто уменьшалось, а наносенсоров, чувствительные элементы которых имели тонкослойное (менее 100 нм) или толстослойное (более 100 нм) покрытие из этого металла,- увеличивалось [7].

Более того, на механизм действия палладиевых наносенсоров значительное влияние оказывает концентрация водорода в анализируемой среде, а также температура 4Х чувствительных элементов [8].

В частности для определения водорода были изготовлены наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из нанопроводов палладия с диаметром 400, 200, 80 или 20 нм. При снижении диаметра использовавшихся нанопроводов чувствительность измерений возрастала, а время установления показаний сокращалось. Данное обстоятельство было объяснено увеличением соотношения между поверхностью массообмена и диаметром нанопроводов изготовленных устройств [9].

Для определения водорода были созданы и другие наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из нанопроводов палладия. Ширина покрытия чувствительных элементов этих устройств соответствовала 300 нм, длина -10 мкм, а толщина - (20-400) нм. Наносенсоры были оснащены кондуктометрическими измерительными преобразователями. Контакт с водородом с концентрацией 2% сопровождался более высокой чувствительностью измерений, чем при воздействии названного химического соединения с концентрацией 1%. Время установления показаний уменьшалось с понижением толщины покрытия независимо от концентрации водорода, а предел его обнаружения для устройства, чувствительный элемент которого имел покрытие с толщиной 100 нм, составлял 0,002% [10].

Вместе с тем был предложен и еще один наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нанопроводов палладия. В этом случае диаметр нанопроводов соответствовал (70-300) нм, а их длин а достигала 7 мкм. Предел обнаружения водорода оценивался на уровне 0,02%, а время установления показаний не превышало 0,3 с [11].

В свою очередь для определения водорода был применен и наносенсор, чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из наночастиц палладия. В устройстве использовался кондуктометрический измерительный преобразователь. При контакте с водородом изменение электрического сопротивления наносенсора носило обратимый характер. Время установления показаний составляло от 10 до 20 с [12].
Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц палладия, также был разработан для определения водорода в аргоне. Толщина покрытия чувствительного элемента соответствовала 8 нм. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь. При нормальной температуре чувствительного элемента наносенсор позволял определять водород с концентрацией 0,05%. Время установления показаний не превосходило 1,15 с [13].

В то же время для определения водорода с концентрацией до 16% был изготовлен наносенсор, чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из наночастиц палладия, нанесенных на торцевую поверхность оптического волокна. Размер наночастиц палладия составлял от 30 до 40 нм. Устройство было оснащено рефрактометрическим измерительным преобразователем, фиксировавшим изменение показателя преломления покрытия при воздействии водорода. В диапазоне температур чувствительного элемента от 30 до 200 °С наносенсор характеризовался быстрым временем установления показаний, однако время возврата показаний к начальному значению было довольно продолжительным [14].

Для определения водорода был создан и другой наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц палладия, нанесенных на торцевую поверхность оптического волокна. В устройстве также применялся рефрактометрический измерительный преобразователь. Предел обнаружения водорода соответствовал концентрации 0,001% [15].

Кроме того, для определения водорода были предложены наносенсоры, чувствительные элементы которых имели тонкослойное покрытие из наночастиц палладия, нанесенных на боковую поверхность одно- или многомодового световода.

В этих устройствах при появлении в газообразной среде водорода наблюдалось изменение интенсивности светового сигнала [16].

При изготовлении чувствительных элементов наносенсоров помимо палладия используются платина, золото, серебро и теллур. В том числе, наносенсор с чувствительным элементом на основе иттрий-циркониевого электролита и электрода, выполненного из платины, был разработан для определения паров этилового спирта, метилэтил-кетона, уксусной кислоты, бензола, толуола, ксилолов и других летучих органических соединений в воздухе. В состав устройства входил потенциометрический измерительный преобразователь, фиксировавший электродвижущую силу, которая возникала при контакте с парами перечисленных химических соединений. Зависимость электродвижущей силы от концентрации химического соединения была логарифмической. При температуре чувствительного элемента 500 °С предел обнаружения паров этилового спирта, метилэтил-кетона, уксусной кислоты, бензола, толуола, о- ир-ксилолов оценивался на уровне (10“4- 10~5) % [17].

Наряду с этим наносенсор с чувствительным элементом на основе иттрий-циркониевого электролита и двух электродов, выполненных из платины, был создан для определения диоксида азота. Электроды (измерительный и вспомогательный) имели разные геометрические размеры и соответственно различную поверхность массообмена. Устройство также было оснащено потенциометрическим измерительным преобразователем [18].

Для определения относительной влажности газообразной среды был предложен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц золота. В данном устройстве применялся емкостный измерительный преобразователь [19].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из наночастиц серебра, были использованы для определения аммиака и паров аминов. Толщина покрытий чувствительных элементов составляла от 150 до 950 нм, а длина - до 100 мкм. В состав устройств входили кондуктометрические измерительные преобразователи. При воздействии аммиака электрическое сопротивление наносенсоров возрастало в 100 раз. Время установления показаний не превышало 5 с. Подобным образом устройства реагировали и на пары аминов, однако время установления показаний было около 1 мин. Более того, контакт с газообразной средой, содержавшей оксид углерода, кислород, аргон, углеводороды или пары воды, не влиял на изменение электрического сопротивления наносенсоров, в то время как воздействие сероводорода приводило к необратимому увеличению их электрического сопротивления за счет образования сульфида серебра: 2 Ag + HZS Ag2S + Нг [6, 20].

Страница 1 из 4 Следующая

Mamuka 23 Jul 2016 в 10:12 #
А где остальные части статьи(Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов. Часть 1)?

Спасибо

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » В.А. Бузановский, "Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов". Часть 1.