Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » В.А. Бузановский, "Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов" . Часть 2.

Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов. Часть 2




В. А. Бузановский

В статье представлены результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов, полученных 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 неорганических химических соединений, показано влияние морфологии, геометрии и состава покрытия чувствительных элементов наносенсоров на чувствительность и селективность измерений, время установления показаний, время возврата показаний к начальной величине, а также 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.

Наносенсоры с чувствительными элементами,содержащими покрытие из композиционного материала на основе металла и оксида металла

В составе композиционного материала покрытия чувствительных элементов названных устройств достаточно часто используются палладий, платина или золото.

В частности, для определения аммиака были созданы наносенсоры, чувствительные элементы которых имели толстослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия, платины или золота и наночастиц оксида вольфрама. Отметим, что добавление наночастиц указанных металлов к наночастицам оксида вольфрама повышало чувствительность измерений аммиака [39].

Наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими покрытие из нанопроводов композиционного материала на основе наночастиц палладия (0,8 или 2% (вес.)) и наночастиц оксида олова, были предложены для определения водорода. Диаметр нанопроводов составлял от 30 до 200 нм, а длина - несколько десятков микрометров. При температуре чувствительных элементов в диапазоне от 25 до 300 °С выходные сигналы устройств носили обратимый характер. Чувствительность измерений водорода возрастала с увеличением содержания наночастиц палладия в композиционном материале покрытия. Так, контакт с этим химическим соединением с концентрацией 0,1% при температуре чувствительного элемента 100 °С обусловливал изменение выходного сигнала наносенсора, чувствительный элемент которого имел покрытие с 2% наночастиц палладия, в 253 раза. Более того, наличие в покрытии чувствительного элемента наночастиц палладия снижало температуру, соответствовавшую наибольшей чувствительности измерений водорода [40].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим толстослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия (3%) и наночастиц оксида олова, был исследован и для определения водорода в воздухе [41].

Для определения водорода также был применен другой наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия и наночастиц оксида олова. При температуре чувствительного элемента 280 °С устройство демонстрировало высокую чувствительность измерений, а также время установления показаний и возврата показаний к начальному значению около 9 с. Предел обнаружения водорода оценивался на уровне 4,5-10~4% [42].

Помимо этого наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия (1% (мол.)) и наночастиц оксида олова, был разработан для определения формальдегида. Чувствительность измерений данного устройства многократно превосходила чувствительность наносенсора,чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц оксида олова. Предел обнаружения формальдегида составлял 3-10_6% [43].

В свою очередь наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия (5% (вес.)) и наночастиц оксида вольфрама, был изготовлен для определения водорода в азоте. В устройстве использовался кондуктометрический измерительный преобразователь. Наибольшая чувствительность измерений соответствовала температуре чувствительного элемента 150 °С. При этой температуре воздействие водорода с концентрацией 1% приводило к изменению электрического сопротивления наносенсора приблизительно в 777 раз [44].

Для определения водорода были созданы и наносенсоры, чувствительные элементы которых имели тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц палладия и наночастиц оксида вольфрама, нанесенное на боковую поверхность одно- или многомодового световода. При появлении в газообразной среде названного химического соединения наблюдалось изменение интенсивности светового сигнала, которое было больше для устройства с многомодовым, чем с одномодовым световодом. Однако зависимость интенсивности светового сигнала от концентрации водорода была более линейной для наносенсора с одномодовым, чем с многомодовым световодом [45].

Вместе с тем, наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из нанопрутков композиционного материала на основе наночастиц платины и наночастиц оксида олова, был предложен для определения паров этилового спирта. В состав устройства входил кондуктометрический измерительный преобразователь. Контакт с парами указанного химического соединения вызывал снижение электрического сопротивления наносенсора. Высокая чувствительность измерений соответствовала температуре чувствительного элемента 300 °С [46].

Наносенсоры, чувствительные элементы которых имели толстослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц платины (от 0,2 до 2%) и наночастиц оксида цинка, были использованы для определения ацетилена. Размер наночастиц платины составлял около 1 нм, а наночастиц оксида цинка -от 5 до 20 нм. Чувствительность измерений ацетилена повышалась с увеличением содержания наночастиц платины в композиционном материале покрытия. Причем, для устройства с чувствительным элементом, содержавшим покрытие с 2% наночастиц платины, наибольшая чувствительность измерений ацетилена наблюдалась при температуре чувствительного элемента 300 °С. Воздействие этого химического соединения с концентрацией 1% обеспечивало изменение выходного сигнала наносенсора в 836 раз, а предел обнаружения соответствовал концентрации 0,005%. Кроме того, устройство позволяло селективно определять ацетилен в присутствии оксида углерода, водорода и метана [47].

Для определения паров этилового спирта был применен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из композиционного материала на основе наночастиц платины (2,36% (вес.)) и наночастиц оксида вольфрама. Наночастицы платины с размером около 2 нм были равномерно распределены между наночастицами оксида вольфрама. Наибольшая чувствительность измерений паров этилового спирта достигалась при температуре чувствительного элемента 140 °С. Устройство характеризовалось непродолжительным временем установления показаний и возврата показаний к начальной величине, высокой селективностью и стабильностью результатов измерений [48].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим толстослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц платины и наночастиц оксида вольфрама, был разработан и для определения аммиака. Высокая чувствительность и селективность измерений этого химического соединения наблюдались при температуре чувствительного элемента 350 °С [49].

Для определения оксида углерода в диапазоне концентраций от 0,004 до 0,1% в присутствии метана с концентрацией от 1 до 3% и пропана с концентрацией от 0,2 до 1% был изготовлен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из композиционного материала на основе наночастиц золота (1% (вес.)) и наночастиц оксида олова. Устройство предназначалось для измерений при температуре чувствительного элемента в диапазоне от 170 до 300 °С. Кстати, при температуре чувствительного элемента 170 °С выходной сигнал наносенсора при контакте с оксидом углерода с концентрацией 0,1% превосходил его выходной сигнал, вызванный воздействием пропана с концентрацией 1%, в 4 раза, а метана с концентрацией 3% - в 7 раз. При температуре чувствительного элемента 300 °С выходной сигнал устройства при контакте с оксидом углерода с концентрацией 0,1% превышал сигнал от воздействия пропана с концентрацией 1% уже в 17 раз, а метана с концентрацией 3% - в 20 раз [50].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из композиционного материала на основе наночастиц золота (1% (вес.)) и наночастиц оксида вольфрама, был создан для определения диоксида азота. По сравнению с устройством, чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц оксида вольфрама, наносенсор обладал более высокой чувствительностью и селективностью измерений, меньшим временем установления показаний и возврата показаний к начальному значению, а также лучшей воспроизводимостью результатов определения диоксида азота при температуре чувствительного элемента 150 °С [51].

Для определения водорода был предложен наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц золота и наночастиц оксида титана. Средний размер наночастиц золота составлял около 10 нм. Устройство было оснащено измерительным преобразователем поверхностных акустических волн. В качестве пьезоэлектрического материала использовался ниобат лития. Наличие в композиционном материале покрытия наночастиц золота обеспечивало рост чувствительности измерений водорода, а также снижение температуры чувствительного элемента, соответствовавшей наибольшей чувствительности измерений этого химического соединения. Так, воздействие водорода с концентрацией 1% на наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц золота и наночастиц оксида титана, приводило к изменению частоты поверхностных акустических волн на 7,4 кГц, а на устройство с чувствительным элементом, содержавшим покрытие только из наночастиц оксида титана,-лишь на 6,5 кГц. Помимо этого наибольшая чувствительность измерений указанного химического соединения с помощью наносенсора, чувствительный элемент которого имел покрытие из наночастиц золота и наночастиц оксида титана, достигалась при температуре чувствительного элемента в диапазоне от 230 до 245 °С, а посредством устройства с чувствительным элементом, содержавшим покрытие только из наночастиц оксида титана,- от 245 до 260 °С [52].

В составе композиционного материала покрытия чувствительных элементов также применяются церий, медь или хром. Например, для определения бутана в воздухе был использован наносенсор,чувствительный элемент которого имел тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц церия (1%) и наночастиц оксида олова. При температуре чувствительного элемента 210 °С наблюдалась наибольшая чувствительность измерений (контакт с бутаном с концентрацией 0,01% вызывал изменение выходного сигнала устройства в 181 раз). Причем, наносенсор обладал и довольно высокой селективностью измерений [53].

Также был разработан наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из композиционного материала на основе наночастиц церия (10%) и наночастиц оксида олова. В отличие от устройства, чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц оксида олова, при температуре чувствительного элемента 330 °С наносенсор характеризовался более высокой чувствительностью измерений сероводорода (приблизительно в 6 раз), а также формальдегида и паров этилового спирта (почти в 3 раза). При этом чувствительность измерений оксида углерода, метана, пропана, водорода, паров бензола и толуола с помощью названных устройств была практически неизменной. Следствием сказанного являлось повышение как чувствительности, так и селективности измерений сероводорода, формальдегида, а также паров этилового спирта с помощью разработанного наносенсора [54].

Наряду с этим наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц меди и наночастиц оксида олова, был изготовлен для определения сероводорода. По сравнению с устройством, чувствительный элемент которого имел покрытие только из наночастиц оксида олова, наносенсор демонстрировал более высокую чувствительность измерений данного химического соединения [55].

Другой наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц меди и наночастиц оксида олова, также был создан для определения сероводорода. При воздействии указанного химического соединения выходной сигнал устройства носил обратимый характер. При нормальной температуре чувствительного элемента время установления показаний не превышало 60 с, а время возврата показаний к начальной величине -90 с. Более того, выходной сигнал наносенсора абсолютно не зависел от присутствия в газообразной среде оксида углерода и метана [56].

В свою очередь для определения аммиака и паров триметиламина был предложен наносенсор, чувствительный элемент которого имел покрытие из композиционного материала на основе наночастиц хрома и наночастиц оксида вольфрама. Наибольшая чувствительность измерений аммиака соответствовала температуре чувствительного элемента 350 °С, а паров триметиламина - 450 °С. Однако было замечено и нелинейное взаимное влияние названных химических соединений на результаты измерений [57].

Наносенсор с чувствительным элементом, содержавшим покрытие из композиционного материала на основе наночастиц хрома и наночастиц оксида вольфрама, также был применен для определения паров летучих органических соединений при выполнении газохроматографических исследований [58].

Вместе с тем в составе композиционного материала покрытия чувствительных элементов могут использоваться сурьма,цезий, барий, алюминий, кадмий и другие металлы. В частности наносенсор, чувствительный элемент которого имел толстослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц сурьмы (0,1%) и наночастиц оксида олова, был разработан для определения хлора. В устройстве применялся кондуктометрический измерительный преобразователь. При нормальной температуре чувствительного элемента контакт с хлором с концентрацией 3-10"4% увеличивал электрическое сопротивление наносенсора в 500 раз. Время установления показаний не превосходило 60 с. Хлороводород, оксид и диоксид азота, аммиак, водород, а также пары брома и трихлорметана незначительно влияли на изменение электрического сопротивления устройства [59].

Для определения попутного нефтяного газа были изготовлены наносенсоры с чувствительными элементами, содержавшими тонкослойное покрытие из композиционного материала на основе наночастиц цезия и наночастиц оксида олова. В состав устройств входили кондуктометрические измерительные преобразователи. При температуре чувствительных элементов 345 °С наносенсоры характеризовались непродолжительным временем установления показаний и стабильностью метрологических характеристик. Заметим, что чувствительность измерений попутного нефтяного газа зависела от морфологии покрытия чувствительных элементов устройств [60].

Страница 1 из 5 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О нанометрологии » В.А. Бузановский, "Последние результаты разработок газовых наносенсоров на основе металлов" . Часть 2.