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

Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе диоксида олова




В.А. Бузановский. 

ЗАО «КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ», Россия, Москва,
e-mail: vab1960@rambler.ru


В статье представлены результаты последних разработок газовых наносенсоров с чувствительными элементами, содержащими: 1) покрытие только из диоксида олова и 2) покрытие из слоя диоксида олова и слоя другого материала. Ключевые слова: диоксид олова, газовый наносенсор, чувствительный элемент, покрытие, наноматериал, метрологическая характеристика. Last development results of gas nanosensors with the sensitive elements containing i) a covering of only tin dioxide and ii) a covering of tin dioxide layer and other material layer are submitted. Key words: tin dioxide, gas nanosensor, sensitive element, covering, nanomaterial, metrological characteristic.  

ВВЕДЕНИЕ

Разработка газовых наносенсоров - сравнительно новое, но динамично развивающееся направление аналитического приборостроения.

Характерная тенденция создания указанных устройств - расширение номенклатуры конструкционных материалов, используемых при изготовлении их чувствительных элементов.

В частности, в число таких материалов входят углеродные нанотрубки, полимеры, металлы, а также оксиды металлов. При этом наносенсоры с чувствительными элементами на основе оксидов металлов являются одними из наиболее многочисленных, а разновидность данных устройств - наносенсоры, чувствительные элементы которых содержат диоксид олова,- одними из наиболее активно разрабатываемых [1-3].

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

Отметим, что в результате предварительного анализа накопленной информации рассматриваемые газовые наносенсоры можно разделить на устройства,чувствительные элементы которых содержат:

1) покрытие только из диоксида олова;
2) покрытие из слоя диоксида олова и слоя другого материала;
3) покрытие из композитного материала на основе диоксида олова.

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие только из диоксида олова, позволяют определять довольно большое число химических соединений, в том числе водород. Например, для определения этого химического соединения был разработан наносенсор,чувствительный элемент которого имел покрытие из нанопрутков диоксида олова.

В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор».

Наносенсор обеспечивал возможность определения водорода с концентрацией 0,01% при комнатной температуре чувствительного элемента. Однако наибольшая чувствительность измерений указанного химического соединения, быстрое время установления показаний и возврат показаний к начальному значению наблюдались при температуре чувствительного элемента около 250 °С [4].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нанопроводов диоксида олова, также был изготовлен для определения водорода.

Диаметр нанопроводов составлял от 30 до 200 нм, а длина -несколько десятков микрометров.

При температуре чувствительного элемента в диапазоне от 25 до 300 °С устройство демонстрировало возврат показаний к начальной величине при удалении водорода из газообразной среды [5].

Для определения водорода был создан и наносенсор, чувствительный элемент которого имел мезо-пористое покрытие из наночастиц диоксида олова. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Благодаря морфологии покрытия, способствовавшей интенсивной диффузии водорода, наносенсор характеризовался высокой чувствительностью измерений названного химического соединения при относительно низкой температуре чувствительного элемента [6].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова, был применен для определения водорода с концентрацией от 0,004 до 0,09% в азоте. При температуре чувствительного элемента 530 °С показания устройства не возвращались к начальному значению вследствие восстановления олова в диоксиде при контакте с водородом [7].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел толстослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, был предложен для определения водорода во влажном воздухе. В устройстве использовался кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор». При температуре чувствительного элемента 500 °С достигалась наибольшая чувствительность измерений указанного химического соединения. При воздействии водорода с концентрацией от 11-10-4 до 1,97% воспроизводимость результатов измерений соответствовала 4-10%. Предел обнаружения водорода оценивался на уровне 8-10~6%. Кстати, влияние относительной влажности воздуха на показания наносенсора не превышало 10% [8].

Для определения водорода были разработаны и другие наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из наночастиц диоксида олова. Толщина применявшихся покрытий составляла от 5 до 100 нм. В состав устройств входили кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». Наибольшую чувствительность измерений водорода показал наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие с толщиной 20 нм. Контакт с названным химическим соединением с концентрацией 0,01% приводил к изменению электрического сопротивления устройства в 168 раз. Время установления показаний не превышало 10 с. Присутствие в газообразной среде метана не влияло, а оксида углерода оказывало незначительное влияние на результаты измерений водорода [9].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, был изготовлен для определения водорода. При температуре чувствительного элемента 350 °С устройство демонстрировало изменение выходного сигнала в 3040 раз при воздействии этого химического соединения с концентрацией 0,1%, а также селективность измерений водорода при присутствии в анализируемой среде попутного нефтяного газа, диоксида углерода, аммиака и паров этилового спирта. Время установления показаний не превос1 ходило 2 с, а возврата показаний к начальному значению - 12 с [10].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, был создан и для определения водорода в диапазоне концентраций от 1 -10-5 до 0,1%. Размер использовавшихся наночастиц составлял менее 3 нм. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Наибольшая чувствительность измерений указанного химического соединения наблюдалась при температуре чувствительного элемента 265 °С. Чувствительность измерений водорода возрастала при снижении его концентрации в газообразной среде, достигая максимальной величины при концентрациях порядка 10_5%.
Наносенсор обладал и довольно высокой селективностью измерений в присутствии паров воды, попутного нефтяного газа, оксида и диоксида углерода. Вместе с тем, при температуре чувствительного элемента 200 °С устройство практически не реагировало на присутствие в анализируемой среде водорода с концентрацией 0,03%, но фиксировало пары ацетона с концентрацией 1,1 -10_3% [11].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, были применены для определения водорода и аммиака. Диаметр наночастиц диоксида олова соответствовал 3-10 нм. В устройствах использовались кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». Наносенсоры характеризовались высокой чувствительностью измерений названных химических соединений при довольно низкой температуре чувствительных элементов [12].

Наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из наночастиц диоксида олова, также были предложены для определения водорода и диоксида азота в воздухе. Наибольшую чувствительность измерений указанных химических соединений обеспечивали устройства с чувствительными элементами, толщина покрытия которых была менее 100 нм [13].

Для определения водорода и диоксида азота были разработаны и наносенсоры, чувствительные элементы которых имели пористое тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова. При температуре чувствительных элементов в диапазоне от 150 до 200 °С предел обнаружения водорода оценивался на уровне 0,06%, а диоксида азота -5-10_5% [14].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие только из диоксида олова, также позволяют определять оксид углерода. Так, для определения названного химического соединения был изготовлен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова с толщиной 2,62 нм. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор». Уменьшение (до 1,59 нм) или увеличение (до 5,87 нм) толщины покрытия чувствительного элемента вызывало снижение чувствительности измерений оксида углерода. Чувствительность измерений данного химического соединения зависела и от температуры чувствительного элемента, достигая наибольшего значения в диапазоне от 250 до 325 °С. При этом наименьшее время установления показаний соответствовало температурам чувствительного элемента более 260 °С [15].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова, был создан для определения оксида углерода в присутствии метана. Размер наночастиц диоксида олова составлял от 3 до 4 нм. При температуре чувствительного элемента 225 °С наблюдалась наибольшая чувствительность измерений оксида углерода. Причем, контакт с указанным химическим соединением с концентрацией 0,1% приводил к увеличению выходного сигнала устройства в 27 раз при температуре чувствительного элемента 50 °С и в 147 раз - при температуре 225 °С. Происходило снижение выходного сигнала наносенсора и при повышении температуры чувствительного элемента до 350 °С. Присутствие в газообразной среде метана не оказывало влияния на результаты измерений оксида углерода при температуре чувствительного элемента в диапазоне от 25 до 350 °С. Однако при температуре 375 °С выходной сигнал устройства при воздействии метана уже превосходил выходной сигнал, обусловленный контактом с оксидом углерода [16].

Наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из наночастиц диоксида олова, были применены для определения оксида углерода и пропана в воздухе. Устройства были оснащены кондуктометрическими измерительными преобразователями вида «резистор». Результаты исследований показали, что по сравнению с изотермическим режимом функционирования чувствительных элементов режим модулирования температуры в течение заданного промежутка времени обеспечивал более высокую чувствительность измерений оксида углерода и пропана [17].

Для определения оксида углерода, метана и паров воды были предложены наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из нанопроводов диоксида олова. Диаметр нанопроводов соответствовал 30-400 нм, а длина - нескольким сотням микрометров. В устройствах использовались кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». При температуре чувствительных элементов от 200 до 250 °С наносенсоры обладали очень высокой чувствительностью измерений названных химических соединений. Пределы обнаружения оксида углерода, метана и паров воды оценивались на уровне 10“4% [18].

Наносенсоры, чувствительные элементы которых имеют покрытие только из диоксида олова, позволяют определять и сероводород. В частности, для определения этого химического соединения был разработан наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор» [19].

Для определения сероводорода также был изготовлен наносенсор, чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова. При комнатной температуре чувствительного элемента время установления показаний составляло 60 с, а возврата показаний к начальной величине -90 с. Присутствие в газообразной среде оксида углерода и метана не влияло на результаты измерений сероводорода [20].

Было проведено сравнение чувствительности измерений сероводорода наносенсором с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, и устройством, чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из нанопроводов данного оксида. Результаты исследований продемонстрировали более высокую чувствительность измерений сероводорода с помощью наносенсора с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нанопроводов диоксида олова [21].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел пористое толстослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, был создан для определения сероводорода в диапазоне концентрацией от 7'10'5 до 0,01% в воздухе. Размер наночастиц диоксида олова соответствовал 50 нм. Выходной сигнал устройства W был связан с парциальным давлением сероводорода Р в соответствии с соотношением: W ~ Р °-6. Наибольшая чувствительность измерений сероводорода достигалась при температуре чувствительного элемента 150 °С [22].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова, был применен для определения фтороводорода. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Наибольшая чувствительность измерений названного химического соединения наблюдалась при температуре чувствительного элемента 380 °С. Предел обнаружения фтороводорода соответствовал концентрации 5-10“®% [23].

Для определения хлора был предложен наносенсор, чувствительный элемент которого имел мезопористое покрытие из наночастиц диоксида олова. Использование указанного покрытия обусловливало высокую чувствительность измерений этого химического соединения, а также быстрое время установления показаний и возврата показаний к начальному значению [24].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим толстослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, был разработан для определения паров дихлорметана. При температуре чувствительного элемента 350 °С воздействие паров названного химического соединения с концентрацией 5-10_5% приводило к изменению выходного сигнала устройства на 1,2%. Кстати, чувствительность измерений паров дихлорметана существенно понижалась при повторном контакте с парами этого химического соединения [25].

Наносенсоры, чувствительные элементы которых имеют покрытие только из диоксида олова, позволяют определять и аммиак. В том числе, наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова, был изготовлен для определения указанного химического соединения. Размер наночастиц диоксида олова составлял от 10 до 14 нм. В устройстве применялся кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор» [26].

Для определения аммиака в диапазоне концентраций от 1-10“4 до 0,08% также был создан наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова. При температуре чувствительного элемента 100 °С воздействие названного химического соединения с концентрацией 0,08% вызывало изменение выходного сигнала устройства в 19 раз. Время установления показаний соответствовало 120 с, а возврата показаний к начальной величине - 68 с. При температуре чувствительного элемента 300 °С контакт с аммиаком с концентрацией 0,08% приводил к изменению выходного сигнала наносенсора уже в 222 раза, а время установления показаний и возврата показаний к начальному значению составляло 22 и 12 с. Наряду с этим, при температуре чувствительного элемента 300 °С относительная влажность газообразной среды начинала влиять на выходной сигнал устройства только с 60%, а такие химические соединения как водород, оксид углерода, оксид азота, сероводород, диоксид серы и диоксид азота не оказывали влияния на результаты измерений аммиака [27].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из нанопроводов диоксида олова, были использованы для определения аммиака и попутного нефтяного газа. В состав этих устройств входили кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор» [28, 29].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова, был предложен и для определения паров аминов. Устройство было оснащено кондуктометрическим и ионизационным измерительными преобразователями. Кондуктометрический измерительный преобразователь фиксировал широкий круг химических соединений, адсорбировавшихся в покрытии чувствительного элемента, а ионизационный измерительный преобразователь - только некоторые из них (например, этот преобразователь практически не реагировал на присутствие в газообразной среде углеводородов с низкой энергией ионизации). В результате данного технического решения наносенсор обеспечивал надежное определение паров аминов в присутствии водорода, этана и оксида углерода [30].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие только из диоксида олова, позволяют определять и диоксид азота. Так, для определения этого химического соединения были разработаны наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из микропроводов, нанопроводов или «зерно риса» - подобных наночастиц диоксида олова. Диаметр микропроводов диоксида олова составлял 2 мкм, а длина - 20 мкм. Диаметр нанопроводов диоксида олова соответствовал 50-100 нм, а длина - приблизительно 20 мкм. Размер «зерно риса» - подобных наночастиц диоксида олова был около 100 нм. Полученные результаты свидетельствовали о наименьшей чувствительности измерений диоксида азота устройством с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из «зерно риса» - подобных наночастиц диоксида олова, и о наибольшей чувствительности измерений указанного химического соединения наносенсором, чувствительный элемент которого имел покрытие из нанопроводов [31].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержащим покрытие из нанопроводов диоксида олова, был изготовлен для определения диоксида азота в диапазоне концентраций от 5-10'"5 до 5-10“4%. В устройстве применялся кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор». Наносенсор характеризовался наибольшей чувствительностью измерений названного химического соединения при температуре чувствительного элемента 200 °С. Воздействие диоксида азота с концентрацией 5-10~5% сопровождалось изменением электрического сопротивления устройства в 18 раз, а с концентрацией 5-10~4% - в 180 раз (существовала линейная зависимость выходного сигнала наносенсора от концентрации этого химического соединения в данном диапазоне измерений) [32].

Для определения диоксида азота в воздухе был создан наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наноремней диоксида олова. В состав устройства входил люминесцентный измерительный преобразователь, позволявший определять указанное химическое соединение с концентрацией 5-10_4% при комнатной температуре чувствительного элемента [33].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из наночастиц диоксида олова, также был использован для определения диоксида азота в воздухе с относительной влажностью 30%. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Наибольшая чувствительность измерений названного химического соединения соответствовала температуре чувствительного элемента 100 °С. Контакт с диоксидом азота с концентрацией 0,001% вызывал изменение электрического сопротивления наносенсора в 14000 раз, однако время установления показаний и возврата показаний к начальной величине составляло соответственно 4,13 и 33,43 мин [34].

Для определения паров воды в азоте и воздухе были предложены наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из нанопроводов диоксида олова. Диапазоны измерений паров указанного химического соединения были до 1,5% (при температуре чувствительного элемента 180 °С) и до 3,2% (при температуре 360 °С). В устройствах применялись кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». Зависимости электрического сопротивления наносенсоров от концентрации паров воды удовлетворяли выражению: R; = R0i • (1 - С/'), i = А, В, где Ra, Roa - электрическое сопротивление устройства при контакте с влажным и сухим азотом; RB, Rob - электрическое сопротивление наносенсора при контакте с влажным и сухим воздухом; СА, Св - концентрация паров воды в азоте и воздухе; (3А, (Зв - константы (при температуре 295 °С - (3А = 0,21 и (Зв = 0,19). Время установления показаний и возврата показаний к начальной величине было довольно продолжительным - соответственно 4±1 и 50+5 мин (при определении паров воды в азоте), а также 3,5±1 и 47±5 мин (при определении паров воды в воздухе) [35].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие только из диоксида олова, обеспечивают возможность определения и паров этилового спирта. В частности, для определения паров данного химического соединения были разработаны наносенсоры, чувствительные элементы которых имели толстослойное покрытие из наночастиц диоксида олова. Чувствительность измерений паров этилового спирта зависела от размера использовавшихся наночастиц (устройства с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из наночастиц диоксида олова меньшего размера, обладали более высокой чувствительностью измерений) [36].

Для определения паров этилового спирта в воздухе был изготовлен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из нанопроводов диоксида олова. Диаметр нанопроводов составлял от 50 до 150 нм, а длина-от 1 до 10 мкм. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор». Воздействие паров этилового спирта с концентрацией 0,01% вызывало изменение электрического сопротивления наносенсора в 11,8 раз. Время установления показаний не превышало 4 с, а возврата показаний к начальному значению - 30 с [37].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим пористое покрытие из нановолокон диоксида олова, был создан для определения паров этилового спирта. Устройство характеризовалось высокой чувствительностью измерений паров названного химического соединения. Предел обнаружения паров этилового спирта соответствовал концентрации 1-10“7% [38].

Для определения паров этилового спирта также был применен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из нанопластин диоксида олова. Контакт с парами указанного химического соединения с концентрацией 0,01% приводил к изменению выходного сигнала устройства приблизительно в 48,4 раза. Время установления показаний не превосходило 8 с [39].

Для определения паров этилового спирта был предложен и наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нанопрутков диоксида олова. Диаметр нанопрутков составлял от 50 до 200 нм, а длина -несколько десятков микрометров. При температуре чувствительного элемента 300 °С воздействие паров этилового спирта с концентрацией 0,005% сопровождалось изменением выходного сигнала устройства в 23 раза [40].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел пористое покрытие из наночастиц диоксида олова, был разработан для определения паров этилового спирта и формальдегида. Размер использовавшихся наночастиц диоксида олова соответствовал 7 нм. Устройство обладало высокой чувствительностью измерений названных химических соединений [41].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим пористое покрытие из наночастиц диоксида олова, был изготовлен для определения паров этилового спирта и бензина. Устройство демонстрировало высокую чувствительность измерений паров указанных химических соединений при сравнительно низкой температуре чувствительного элемента [42].

Для определения паров этилового спирта и попутного нефтяного газа также был создан наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова. Размер применявшихся наночастиц составлял от 2,8 до 26 нм. При температуре чувствительного элемента ниже 270 °С устройство показало высокую селективность измерений паров этилового спирта, а при температуре чувствительного элемента выше 300 °С - попутного нефтяного газа [43].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим толстослойное пористое покрытие из наночастиц диоксида олова, был использован для определения паров этилового спирта, водорода, оксида углерода, аммиака и оксидов азота в воздухе. Толщина применявшегося покрытия была около 400 нм. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Наибольшая чувствительность измерений паров этилового спирта с концентрацией 0,001 или 0,0025% наблюдалась при температуре чувствительного элемента 250 °С, а с концентрацией 0,005 или 0,01% - при температуре 300 °С. Контакт с определявшимся химическим соединением с концентрацией 0,01% обусловливал изменение электрического сопротивления наносенсора в 12 раз (пары этилового спирта), в 5 раз (оксиды азота) и приблизительно в 2 раза (водород, оксид углерода, аммиаком). Время установления показаний не превышало 1 с при воздействии паров этилового спирта, водорода и оксида углерода, 4 с - при контакте с аммиаком, но превосходило 110 с - при воздействии оксидов азота [44].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова, также был предложен для определения паров этилового и п-бутилового спирта. Размер наночастиц диоксида олова соответствовал 5-15 нм. При температуре чувствительного элемента 220 °С устройство обеспечивало высокую чувствительность и селективность измерений названных химических соединений, а также непродолжительное время установления показаний [45].

Для определения паров этилового и n-бутилового спирта был разработан и наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из пористых «цветок» - подобных наночастиц диоксида олова. Указанные наночастицы были приготовлены при отжиге наночастиц сульфида олова и имели размер около 6,1 нм. При температуре чувствительного элемента 240 °С воздействие паров этилового спирта с концентрацией 0,01% вызывало изменение выходного сигнала устройства в 42,6 раза, а паров n-бутилового спирта с такой же концентрацией - в 77,2 раза. Наносенсор характеризовался возвратом показаний к начальному значению при отсутствии паров названных спиртов в газообразной среде, однако выходной сигнал устройства изменялся и при контакте с парами ацетона, метилового и 2-пропило-вого спирта [46].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова, был изготовлен для селективного определения паров этилового и 2-пропилового спирта, а также этилацетата. В данном устройстве использовался режим модулирования температуры чувствительного элемента от 250 до 300 °С в течение заданного промежутка времени [47].

Для определения паров метилового спирта был создан наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим толстослойное покрытие из наночастиц диоксида олова. При температуре чувствительного элемента 200 °С воздействие паров метилового спирта с концентрацией 0,5% обусловливало время установления показаний 90 с, а возврата показаний к начальной величине -200 с [48].

Наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц диоксида олова, был применен для определения паров n-бутилового спирта. Это устройство характеризовалось довольно низкой чувствительностью и селективностью измерений указанного химического соединения [49].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из наночастиц диоксида олова, был предложен и для определения формальдегида. В устройстве использовался кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор» [50].

Для определения паров ацетона был разработан наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из нанопроводов диоксида олова. Устройство обладало высокой чувствительностью и селективностью измерений названного химического соединения, непродолжительным временем установления показаний и возврата показаний к начальному значению, а также стабильностью метрологических характеристик [51].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нановолокон диоксида олова, был изготовлен для определения паров толуола. При температуре чувствительного элемента 350 °С устройство демонстрировало высокую чувствительность и селективность измерений паров указанного химического соединения, а также линейную зависимость выходного сигнала от концентрации паров толуола в диапазоне от 0,001 до 0,03%. Время установления показаний составляло 1 с, а возврата показаний к начальной величине - 5 с [52].

Наконец, для определения озона был создан ряд наносенсоров, чувствительные элементы которых имели покрытие только из диоксида олова [53].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя другого материала,

можно подразделить на устройства, чувствительные элементы которых имеют покрытие:

1) с внешним слоем оксида металла;
2) с внешним слоем металла;
3) с внешним слоем неорганического химического соединения;
4) с внешним слоем композитного материала на основе оксида металла и металла;
5) с внешним слоем четырех компонентного композитного материала.

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя оксида другого металла.

В том числе, наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из слоя нанопроводов диоксида олова и слоя наночастиц оксида меди, был применен для определения сероводорода. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь вида «резистор». При температуре чувствительного элемента 300 °С воздействие названного химического соединения с концентрацией 0,002% сопровождалось изменением электрического сопротивления наносенсора в 809 раз. Контакт с диоксидом азота с концентрацией 5-10 ^%, оксидом углерода с концентрацией 0,01%, парами этилового спирта с концентрацией 0,02% и пропаном с концентрацией 0,01% приводил к изменению электрического сопротивления устройства только в 1,5-4 раза. Время установления показаний соответствовало 1-2 с. По сравнению с наносенсором с чувствительным элементом, содержавшим покрытие только из нанопроводов диоксида олова, устройство обладало более высокой чувствительностью измерений сероводорода (изменение его электрического сопротивления при воздействии сероводорода с концентрацией 0,002% было больше приблизительно в 74 раза) [54].

Для определения сероводорода также был предложен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц оксида меди. Устройство было оснащено кондуктометрическим измерительным преобразователем вида «резистор». Наибольшая чувствительность измерений сероводорода достигалась при температуре чувствительного элемента около 150 °С [19]. Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из слоя нановолокон диоксида олова и слоя наночастиц оксида цинка, был разработан для определения кислорода и диоксида азота. Устройство характеризовалось высокой чувствительностью и воспроизводимостью измерений этих химических соединений [55].

Для определения диоксида азота были изготовлены два наносенсора, чувствительные элементы которых имели покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц триоксида вольфрама. В первом устройстве слой наночастиц триоксида вольфрама с толщиной 8 нм был непрерывно распределен поверх слоя наночастиц диоксида олова, а во втором наносенсоре слой наночастиц триоксида вольфрама также с толщиной 8 нм был равномерно нанесен на слой наночастиц диоксида олова в форме островков с диаметром 600 мкм. В обоих устройствах использовались кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». Интересно,что в отличие от наносенсора с чувствительным элементом, содержавшим покрытие только из наночастиц диоксида олова, чувствительность измерений диоксида азота первым устройством была в 2,41 раза ниже, а вторым - в 3,86 раз выше (при температуре чувствительных элементов 100 °С). Время установления показаний и возврата показаний к начальному значению у обоих наносенсоров являлось менее продолжительным. Так, время установления показаний и возврата показаний к начальной величине первого устройства составляло 1,6 и 17,8 мин, а второго -1,12 и 17,05 мин (указанные показатели наносенсора, чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц диоксида олова, соответствовали 4,13 и 33,43 мин) [34].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя металла.

В данном случае на слой диоксида олова обычно наносят слой золота, палладия или платины. Например, наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц золота, был создан для определения оксида углерода в воздухе. Наличие в покрытии чувствительного элемента слоя наночастиц золота обеспечивало возможность определения низких концентраций названного химического соединения (менее 0,001%) при температуре чувствительного элемента ниже 50 °С [56].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц палладия, были применены для определения водорода и аммиака. Размер использовавшихся наночастиц диоксида олова составлял от 3 до 10 нм. В состав устройств входили кондуктометрические измерительные преобразователи вида «резистор». По сравнению с наносенсором,чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц диоксида олова, устройства обладали более высокой чувствительностью измерений водорода и аммиака, а также меньшим временем установления показаний [12], Для определения попутного нефтяного газа были предложены наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц платины. Толщина слоя наночастиц диоксида олова соответствовала 90 нм, а толщина слоя наночастиц платины варьировалась от 2 до 20 нм. Чувствительность измерений указанного газа зависела от толщины слоя наночастиц платины, а также применения ультрафиолетового излучения. При температуре чувствительного элемента 220 °С контакт с попутным нефтяным газом с концентрацией 0,02% вызывал изменение выходного сигнала устройства, чувствительный элемент которого имел покрытие со слоем наночастиц платины толщиной 10 нм, приблизительно в 5000 раз. При облучении покрытия чувствительного элемента ультрафиолетовым светом с длиной волны 365 нм воздействие попутного нефтяного газа с концентрацией 0,02% обусловливало изменение выходного сигнала данного наносенсора в 4400 раз, но уже при комнатной температуре чувствительного элемента [57, 58].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц платины, также был разработан для определения паров этилового спирта. Устройство показало очень высокую чувствительность измерений этого химического соединения по сравнению с оксидом углерода, метаном и пропаном [59].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя неорганического химического соединения.

В качестве примера таких устройств можно привести наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя наночастиц силикалита. Наличие в покрытии чувствительного элемента слоя наночастиц названного химического соединения увеличивало диапазон и чувствительность измерений этилена. Время установления показаний не превышало 14 с, а возврата показаний к начальному значению - 144 с [60].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя композитного материала на основе оксида металла и металла.

В частности, наносенсоры, чувствительные элементы которых имели покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя композитного материала, состоявшего из наночастиц диоксида олова и наночастиц золота (50%), были изготовлены для определения оксида углерода и водорода. Толщина слоя композитного материала варьировалась в диапазоне от 0,7 до 15 нм. Увеличение толщины указанного слоя сопровождалось повышением чувствительности измерений оксида углерода и водорода, а также снижением времени установления показаний и возврата показаний к начальной величине [61].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя композитного материала, состоявшего из наночастиц диоксида олова и наночастиц золота (50%), также был создан для определения озона. В этом случае наличие в покрытии чувствительного элемента слоя наночастиц данного композитного материала обеспечивало рост чувствительности измерений озона и уменьшение времени возврата показаний к начальному значению [62].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержащими покрытие из слоя диоксида олова и слоя четырехкомпонентного композитного материала.

Примером таких устройств является наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из слоя наночастиц диоксида олова и слоя пористой керамики, состоявшей из наночастиц кремния, бора, углерода и азота. Толщина слоя керамики составляла около 1 мкм, а диаметр пор в ней соответствовал 0,7 нм. В отличие от устройства с чувствительным элементом, содержавшим покрытие только из наночастиц диоксида олова, наносенсор характеризовался возвратом показаний к начальной величине при воздействии водорода в азоте с концентрацией от 0,004 до 0,09% при температуре чувствительного элемента 530 °С [7].  

ЛИТЕРАТУРА

1. Бузановский В. А. //Вестник машиностроения2011- №5-С. 33-38.
2. Бузановский В. А .//Законодательная и прикладная метрология.-2011-№6,-С. 22-29.
3. 5узановский ВЛ.//Законодательная и прикладная метрология,- 2012,- № 1,- С. 23-30.
4. Huang Н., Lee Y. С., Tan О. К., et al. //Nanotechnology-2009 - V.20-Article ID 115501.
5. Shen Y,, Yamazaki Т., Liu Z., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical.- 2009,- V. 135 - P. 524-529.
6. Hayashi М., Hyodo Т., Shimizu Y., and Egashira M. //Sensors and Actuators B: Chemical- 2009-\J. 141,- P. 465-470.
7. Prasad R.M., Gurlo A., Riedel R.,et al. //Sensors and Actuators B: Chemical.-2010.-V. 149.-P. 105-109.
8. Malyshev V. V., and Pislyakov A. V. //Sensors and Actuators B: Chemical-2008.- V. 134,- P. 913-921.
9. Lu C., Chen Z., and Singh V.//Sensorsand Actuators B: Chemical.-2010-V. 146.- P. 145-153.
10. Patil L. A., Shinde М. D., Bari A. R.,and Deo V. V. //Sensors and Actuators В: Chemical.- 2009.- V. 143.- P. 270-277.
11. Bamsaoud S. F., Rane S. B., Karekar R.N., and Aiyer R.C.//Sensors and Actuators B: Chemical-2011.- I/. 153.- P. 382-391.
12. Lassesson A., Schulze М., van Lith J., and Brown S. A. //Nanotechnology-2008 -V. 19-Article ID 015502.
13. Ohgaki Т., Matsuoka R., Watanabe K., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical-201 О.-V. 150.- P. 99-104.
14. Partridge J.G., Field M.R., Peng J. L., et al.//Nanotechnology-2008.- V. 19.-Article ID 125504.
15. Du X., and George S. M.//Sensors and Actuators B: Chemical-2008-V. 135.- P. 152-160.
16. Sedghi S. М., Mortazavi Y,, and Khodadadi A. //Sensors and Actuators B: Chemical.- 2010-\/. 145,- P. 7-12.
17. Frank K., Kohler H., and Guth U. //Sensors and Actuators B: Chemical-2009.- V. 141,- P. 361-369.
18. Kock A., Tischner A., Maier Т.,et al. //Sensors and Actuators В: Chemical.- 2009.- V. 138,- P. 160-167.
19. Chowdhuri A., Singh S.K., Sreenivas K., and Gupta V.//Sensors and Actuators B: Chemical-201 О.-V. 145.- P. 155-166.
20. Zhao J., Wu S., Liu J., etal.//Sensors and Actuators B: Chemical- 2010-V. 145,- P. 788-793.
21. Kumar V., Sen S., Muthe K.P., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical- 2009 - V. 138- P. 587-590.
22. Liu H., Gong S.P., Hu Y.X., etal. //Sensors and Actuators B: Chemical-2009.- I/. 140.- P. 190-195.
23. Berger F., Sanchez J.-B., and Heintz 0. //Sensors and Actuators B: Chemical- 2009 - V. 143- P. 152-157.
24. Wang D., Hu P., Xu J., etal.//Sensors and Actuators B: Chemical-2009-I/. 140.- P. 383-389.
25. Lee S.C., Choi H.Y., Lee S.J., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical.- 2009.- V. 138,- P. 446-452.
26. Wang Y„, Mu Q., Wang G., and Zhou 2. //Sensors and Actuators B: Chemical-2010.- V. 145,-P. 847-853.
27. Rout C.S., Hegde М., Govindaraj A., and Rao C. N. R, //Nanotechnology-2007.- I/. 18.- Article ID 205504.
28. Thong L. V., Hoa N.D., Le D.T, Т., et ai. //Sensors and Actuators В; Chemical.-2010,- V. 146.-P. 361-367.
29. Thong L.V., Loan L.T. N., and Hieu N .V.//Sensors and Actuators B: Chemical-2010.-V. 150-P. 112-119.
30. Hackner A., Habauzit A., and Muller G .//Sensors and Actuators B: Chemical - 2010,- V. 146-P.433-439.
31. Shaalan N. М., Yamazaki Т., and Kikuta T. //Sensors and Actuators B: Chemical.-2011,- V'. 153.-P. 11-16.
32. Choi Y.-J., Hwang I.-S., Park J.-G., et at. //Nanotechnology-2008-V. 19.-Article ID 095508.
33. Bismuto A., Lettieri S., Maddalena P., et at. //Journal of Optics A: Pure and Applied Optics- 2006 - V. S.-Р. S585-S616.
34. Sharma A., Tomar М., and Gupta V. //Sensors and Actuators B: Chemical-2012.-V. 161.-P. 1114-1118.
35. Hernandez-Ramirez F., Barth S., Tarancon A., et ai //Nanotechnology-2007.- V. 18.-Article ID 424016.
36. Singh R. C., Singh M.P., Singh 0., and Chandi P.S./'/Sensors and Actuators B: Chemical- 2009,-I/. 143.- P. 226-232.
37. Hieu N.V. //Sensors and Actuators B: Chemical- 2010,- V. 144 - P. 425-431.
38. Zhang Y., Li J., An G., and He X. //Sensors and Actuators B: Chemical.-Дата принятия 21.05.2012 2010,- V. 144,- P. 43-48.
39. Xu M.-H., Cai F.-S., Yin J., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical-2010.- V. 145,- P. 875-878.
40. Ying Z., Wan Q., Song Z.T., and Feng S. L .//Nanotechnology-2004-V. 15.- P. 1682-1684.
41. Song F., Su H., Han J., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical.-2010.- I/. 145.- P. 39-45.
42. Zong Y., Cao Y., Jia D., and Hu P. //Sensors and Actuators B: Chemical.-2010,- V. 145.-P. 84-88.
43. Dong Q., Su H., Zhang D., and Zhang F. //Nanotechnology-2006-V. 17.- P. 3968-3973.
44. Jeun J.-H., Kim D.-H., and Hong S.-H. //Sensors and Actuators B: Chemical-2012.-V. 161.-P. 784-790.
45. Zhang J., Wang S., Wang Y., etal. //Sensors and Actuators B: Chemical-2009.- V. 139.- P. 369-374.
46. Huang J., Yu K., Gu C., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical-2010.- I/. 147,- P. 467-474.
47. Huang J. R., Gu C. P., Meng F. L, etal. //Smart Materials and Structures.-2007.- I/. 16.- P. 701-705.
48. Yadava L., Verma R., and Dwivedi R. //Sensors and Actuators B: Chemical-2010.- I/. 144- P. 37-42.
49. Liu X., Zhang J., Guo X., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical-2011.- I/. 152-P. 162-167.
50. Wang J., Zhang P., Qi J.-Q., and Yao P.- J. //Sensors and Actuators B: Chemical.-2009,- V. 136.-P. 399-404.
51. Qin L., Xu J., Dong X., etal.//Nano-technology.-2008- V. 19-Article ID 185705.
52. Qi Q., Zhang Т., Liu L., and Zheng X. //Sensors and Actuators B: Chemical-2009.- I/. 137,- P. 471-475.
53. Korotcenkov G., and Cho B.K. //Sensors and Actuators B: Chemical-2012.- V. 161.- P. 28-44.
54. Hwang l.-S., Choi J.-K., Kim S.-J., et al. //Sensors and Actuators B: Chemical-2009 - V. 142 - P. 105-110.
55. Choi S.-W., ParkJ.Y., and Kim S.S.//Nanotechnology-2009 - V.20-Article ID 465603.
56. Manjula P., Arunkurnar S., and Manorama S. V. //Sensors and Actuators B: Chemical - 2011 .-V. 152,-P. 168-175.
57. Haridas D,, Chowdhuri A., Sreenivas K., and Gupta V.//Sensors and Actuators B: Chemical.-2011-I/. 153,- P. 152-157.
58. Haridas D., Chowdhuri A., Sreenivas K., and Gupta V.//Sensors and Actuators B: Chemical- 2011-V. 153.- P. 89-95.
59. Oliaee S.N., Khodadadi A., Mortazavi Y., and Alipour S. //Sensors and Actuators B: Chemical-2010.- V. 147,- P. 400-405.
60. Jadsadapattarakul D., Thanachayanont C., Nukeaw J., and Sooknoi T. //Sensors and Actuators B: Chemical- 2010-1/. 144- p. 73-80.
61. Korotcenkov G., Cho B.K., Gulina L., and Tolstoy V.//Sensors and Actuators B: Chemical-2009-I/. 141- P. 610-616.
62. Korotcenkov G., Cho В. K., Gulina L., and Tolstoy V.//Sensors and Actuators B: Chemical- 2009-V. 138.- P. 512-517.

Добавить комментарий


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