Чувствительность газовых сенсоров повысили с помощью наночастиц золота и диоксида кремния

Диоксид кремния и наночастицы золота увеличивают чувствительность детектора к бензолу и этанолу более чем в четыре раза даже в условиях влажного воздуха, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nanomaterials. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Летучие органические соединения — распространенная группа загрязняющих веществ, к которой относятся практически все растворители, используемые в лабораторной практике, продукты нефтепеработки, компоненты лакокрасочных покрытий. Все соединения этой группы в разной степени токсичны для человека. Так, отравление парами этанола приводит к затруднению дыхания, тошноте, головной боли и головокружению, что опасно, в первую очередь, для работников на промышленных предприятиях. Если содержание паров этанола в воздухе превышает 3 %, возникает угроза взрыва. Еще более высокую токсичность имеет бензол. Пары бензола также взрывоопасны при содержании более 1 %. Поэтому бензол и этанол важно уметь детектировать как для мониторинга состояния окружающей среды, так и работы систем безопасности на предприятиях.

Среди химических газовых детекторов наиболее распространены сенсоры на основе оксидов металлов, например, диоксида олова. Пары органических веществ на поверхности чувствительного слоя превращаются в углекислый газ, потому что материал может ускорять химические реакции (проявляет каталитические свойства). При этом электрическая проводимость последнего увеличивается, и специальное оборудование определяет по этому сигналу концентрацию газа. Но оптимальная температура работы таких сенсоров составляет около 300 °С, а влажность окружающей среды дополнительно снижает чувствительность диоксида олова к газам.

В новом исследовании ученых химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, МГТУ имени Н. Э. Баумана и МГТУ «СТАНКИН» (Москва), а также их коллег из Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН (Новосибирск) были изучены способности диоксида кремния и наночастиц золота влиять на чувствительность сенсора из диоксида олова в таких экстремальных условиях.

Чтобы получить материал для сенсора, ученые сначала создали композит из диоксида олова и диоксида кремния. Для этого они долго нагревали основу для материала в водной среде при высоком давлении, а затем полученный порошок композита смешали с коллоидным раствором наночастиц золота и нанесли на подложку из оксида алюминия. Сенсор сравнили с тремя другими: без наночастиц золота, без диоксида кремния и совсем без добавок. Сенсор и с наночастицами золота, и с диоксидом кремния проявляет стабильную высокую чувствительность к бензолу при 350 °С и этанолу при 300 °С с увеличением относительной влажности воздуха как минимум до 20 %. Более того, сигнал такого сенсора выше в два раза по сравнению с сенсором только с наночастицами золота и более чем в четыре раза по сравнению с сенсором из диоксида олова без добавок.

«Диоксид кремния в составе материала увеличивает количество дефектов в кристаллической структуре диоксида олова. Эти дефекты способствуют образованию на поверхности композита положительно заряженных атомов золота, у которых каталитическая активность в разы больше, — объясняет эффект руководитель проекта по гранту РНФ Марина Румянцева, доктор химических наук и профессор кафедры неорганической химии химического факультета МГУ. — Обновленный таким образом сенсор можно будет использовать для определения бензола в воздухе после необходимой аттестации».