КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 17-73-10482

НазваниеНаноматериалы на основе диоксида олова, полученные из пероксостанната, для применения в газовых сенсорах

Руководитель Медведев Александр Геннадьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Газовый сенсор, диоксид олова, допирование, р-элементы, пероксид водорода, пероксокомплексы, пероксостаннат, селективность, наноматериалы

Код ГРНТИ31.17.15

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Наноматериалы на основе соединений олова представляют большой научный и практический интерес. Так, диоксид олова находит широкое применение в качестве электродного материала в солнечных батареях и литий- и натрий-ионных аккумуляторах, компонента в светоиспускающих диодах, жидкокристаллических дисплеях, в транзисторах и так называемых «умных окнах». Диоксид олова также хорошо известен в качестве чувствительного материала для газовых сенсоров. На протяжении многих лет газовые сенсоры широко используются для обнаружения и мониторинга огромного количества газов и паров, включая токсичные и взрывоопасные. В настоящее время наиболее важными областями применения газовых сенсоров являются автомобильный, промышленный и аэрокосмический сектор, где газовые сенсоры необходимы для контроля и обнаружения оксидов азота, кислорода, аммиака, оксидов серы, озона, углеводородов, либо углекислого газа; пищевая промышленность, где газовые сенсоры применяются для контроля процессов ферментации; бытовой и медицинский сектора, где газовые сенсоры применяются для детектирования углекислого газа, влажности, а также для обеспечения безопасности обнаружением следов взрывчатых и опасных веществ. Для недорогих и мобильных приложений в большинстве случаев используются газовые сенсоры. Сенсорные элементы преобразуют отклик, полученный от химического или физического взаимодействия молекул детектируемого газа (аналита) и газочувствительного материала, в аналитический сигнал. Детектирование может осуществляться различными способами, включая калориметрические сенсоры (пеллисторы), электрохимические ячейки, такие как лямбда-зонды выхлопных газов, полевые транзисторы, датчики на поверхностных и объемных акустических волнах, кварцевые микровесы и хеморезисторы. Среди перечисленных видов сенсоров наиболее распространенными являются резистивные сенсоры на основе металлооксидных полупроводников, электрическое сопротивление которых изменяется при контакте с газами окислителями или восстановителями. Диоксид олова является одним из наиболее популярных активных компонентов газовых сенсоров. Однако до настоящего времени остаются актуальными проблемы повышения чувствительности, селективности и стабильности, а также снижения времени отклика и восстановления активного материала на основе диоксида олова, которые являются ключевыми параметрами, определяющими применимость соответствующего сенсорного элемента. Одним из путей улучшения характеристик сенсоров на основе диоксида олова является допирование SnO2 различными элементами. Для большинства существующих методов получения материалов данный подход значительно усложняет технологию, и наряду с побочными процессами, такими как увеличение скорости агломерации и роста частиц, приводит к увеличению стоимости производства [1]. Показано также, что повышение чувствительности чистого диоксида олова возможно достичь путем уменьшения размера частиц [2]. Большинство известных методов формирования покрытий на основе диоксида олова связаны с использованием дорогостоящего оборудования, утилизацией токсичных отходов (например, кислот) или требует больших временных и энергозатрат. Недавно в лаборатории пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН был разработан «пероксидный» метод получения тонких пленок на основе оксидов р-элементов, который основан на использовании водно-пероксидных растворов пероксокомплексов в качестве прекурсоров [3]. Добавление избытка органического "антирастворителя" (этанол, метанол, диэтиловый эфир или их смесь) к водно-пероксидному раствору пероксокомплексов олова(IV) или других р-элементов, приводит к количественному осаждению при комнатной температуре тонкой пленки пероксосоединений на поверхности предварительно помещенного в систему материала подложки. Дальнейшая термическая обработка полученного продукта позволяет получать тонкие пленки (от 1 до 20 и более нм) соответствующих оксидов [4-8]. При этом формируется равномерное сплошное покрытие из оксидных частиц, которое полностью воспроизводит морфологию материала подложки. «Пероксидный» метод также позволяет получать оксидные частицы без каких-либо дополнительных компонентов, регулируя их размер и морфологию изменением растворимости прекурсора. Кроме того, данный метод позволяет легко допировать конечный материал различными элементами, вводя их в исходный раствор или обрабатывая дисперсию конечного материала растворами солей соответствующих металлов. В данном проекте впервые предлагается использовать «пероксидный» метод для получения активных сенсорных материалов на основе диоксида олова для детектирования водорода, углекислого газа, угарного газа, оксидов азота, аммиака и других газов. В ходе выполнения проекта предполагается получить материалы на основе диоксида олова с различным размером кристаллитов и образуемых ими наночастиц, при этом толщину покрытия также можно оптимизировать. Размер частиц и морфологию конечного материала предлагается регулировать за счет изменения растворимости исходного пероксостанната, вводя в систему катионы щелочных металлов или органические катионы, либо нанесением тонких пленок на наноструктурированные подложки заданной морфологии. Варьирование режима термообработки и возможность многократного осаждения позволяют, соответсвенно, регулировать размеры кристаллитов и толщины пленки от исходных 1-2 нм до 20 нм, и, таким образом, получать наиболее оптимальные по конечным свойствам материалы. С целью повышения чувствительности и селективности сенсорного материала в ходе выполнения проекта планируется провести допирование диоксида олова различными р- и d-элементами. Введение в исходный раствор пероксостанната солей р- или d-элементов в необходимом соотношении и последующее добавление к полученной системе избытка «антирастворителя» позволит проводить соосаждение частиц пероксостанната и соответствующего пероксокомплекса с заданным соотношением олова и допанта, а в ходе дальнейшей термообработки получить диоксид олова, допированный необходимым количеством р- или d-элемента. В тех случаях, когда какой-либо элемент катализирует разложение исходного водно-пероксидного раствора, допирование можно осуществлять за счет обработки свежеосажденного пероксостанната растворами соответствующих солей в органических растворителях. Следует отметить, что использование "пероксидного" метода позволяет практически количественно расходовать исходные вещества и не требует наличия дорогостоящего оборудования и утилизации токсичных отходов, что в конечном итоге создает хорошие перспективы для промышленного внедрения предложенных материалов. [1] X. Zhou, S. Lee, Z. Xu and J. Yoon. Recent Progress on the Development of Chemosensors for Gases, Chem. Rev., 2015, 115, 7944. [2] M. E. Franke, T. J. Koplin and U. Simon. Metal and metal oxide nanoparticles in chemiresistors: does the nanoscale matter? Small, 2006, 2, 36. [3] S. Sladkevich, A.A. Mikhaylov, P.V. Prikhodchenko, T.A. Tripol'skaya, O. Lev. Antimony tin oxide (ATO) nano particle formation from H2O2 solutions: a new generic film coating from basic solutions, Inorganic Chemistry, 2010, 49, 9110. [4] S. Sladkevich, J. Gun, P.V. Prikhodchenko, V. Gutkin, A.A. Mikhaylov, V.M. Novotortsev, J.X. Zhu, D. Yang, Q.Y. Yan, H.H. Hng, Y.Y. Tay, Z. Tsakadze, O. Lev. Peroxide induced tin oxide coating of graphene oxide at room temperature and its application for lithium ion batteries, Nanotechnology, 2012, 23, 485601. [5] S. Sladkevich, J. Gun, P.V. Prikhodchenko, V. Gutkin, A.A. Mikhaylov, A.G. Medvedev, T.A. Tripol’skaya, O. Lev. The formation of a peroxoantimonate thin film coating on graphene oxide (GO) and the influence of the GO on its transformation to antimony oxides and elemental antimony, Carbon, 2012, 50, 5463. [6] A.A. Mikhaylov, A.G. Medvedev, C.W. Mason, A. Nagasubramanian, S. Madhavi, S. K. Batabyal, Q. Zhang, J. Gun, P.V. Prikhodchenko, O. Lev. Graphene oxide supported sodium stannate lithium ion battery anodes by the peroxide route: low temperature and no waste processing , J. Mat. Chem. A, 2015, 3, 20681. [7] D.Y.W. Yu, S.K. Batabyal, J. Gun, S. Sladkevich, A.A. Mikhaylov, A.G. Medvedev, V.M. Novotortsev, O. Lev, P.V. Prikhodchenko. Antimony and antimony oxide@graphene oxide obtained by the peroxide route as anodes for lithium-ion batteries, Main Group Metal Chem., 2015, 38, 43. [8] A.G. Medvedev, A.A. Mikhaylov, D.A. Grishanov, D.Y.W. Yu, J. Gun, S. Sladkevich, O. Lev, P.V. Prikhodchenko. Document GeO2 Thin Film Deposition on Graphene Oxide by the Hydrogen Peroxide Route: Evaluation for Lithium-Ion Battery Anode, ACS Appl. Mater. Interf., 2017, 9, 9152.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---