Российские химики создали способ улучшить мониторинг угарного газа в атмосфере

Результаты работы опубликованы в журнале Talanta. Мониторинг атмосферного воздуха позволяет контролировать содержание в нем различных газов и вовремя детектировать неблагоприятные изменения. Для этих целей хорошо подходят резистивные газовые сенсоры, работающие на основе материалов, электрофизические характеристики которых (прежде всего, электрическое сопротивление) зависит от концентрации тех или иных газов в окружающей среде.

Перспективный кандидат для таких рецепторных компонентов – это смешанный оксид индия и олова ITO (In2O3-10%SnO2). Пленки ITO обладают хорошей электропроводностью, а также их можно наносить на самые разные, в том числе гибкие, поверхности, и поэтому ITO сейчас активно используют в качестве прозрачных электродов для электронных устройств (сенсорных экранов, дисплеев, солнечных батареях и так далее).

При этом в работах 1980-х годов было показано, что ITO, как и другие полупроводники, может реагировать на концентрации различных газов, однако техника создания ITO покрытий еще не была достаточно развита, и поэтому для создания резистивных газовых сенсоров их всерьез никто не рассматривал.

В новой же работе российские химики показали, что тонкие рецепторные покрытия из ITO можно получить с помощью удобной техники перьевой плоттерной печати. При этом в качестве чернил они использовали не коллоидные взвеси наночастиц, из которых часто получают ITO, а истинные растворы двух комплексных соединений с индием и оловом в составе – так было гораздо легче контролировать морфологию и однородность получающихся покрытий.

Чернила смешивали в пере плоттера и подавали на чип из Al2O3 с нанесенными платиновыми электродами. Перо равномерно перемещалось по поверхности, и после нанесения каждого слоя пленка высушивалась в течении десяти минут, а потом процедура повторялась вновь. Всего было нанесено двадцать слоев, при этом после первых десяти пленку дополнительно отжигали при температуре 250 градусов Цельсия. В результате получилась пленка ITO толщиной 600 нм с однородной поверхностью – максимальный перепад высот составлял не более 8 нм.

После этого ученые испытали сенсорные свойства новой ITO-пленки. Они вносили ее в атмосферу различных газов (CO, CO2, CH4, H2 и NH3) и фиксировали как изменяется ее сопротивление. Самый заметный сенсорный отклик ITO показал на угарный газ: в присутствии молекул CO концентрацией 100 миллионных долей ее сопротивление упало почти в девять раз.

В присутствии других газов таких заметных эффектов не наблюдалось. При этом было показано, что ITO пленка может детектировать концентрации CO даже на уровне двух миллионных долей, что почти на порядок меньше предельной допустимой концентрации угарного газа в воздухе (от 20 до 35 миллионных долей).

Таким образом, ученые показали, что с помощью напечатанной планарной ITO-пленки можно селективно детектировать в окружающей атмосфере токсичный угарный газ, который не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом (оптимальная рабочая температура полученного датчика составила 200 градусов Цельсия).

Кроме того, показанная в работе технология позволит научном сообществу продвинуться в создании тонкопленочных прозрачных электродов ITO и для других целей. Исследование проведено группой ученых из лаборатории химии легких элементов и кластеров ИОНХ РАН в сотрудничестве с коллегами из СПбГУ, МГУ имени М.В. Ломоносова и РХТУ имени Д. И. Менделеева. 

РХТУ им. Д.И. Менделеева

6 статей

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева — высшее учебное заведение в Москве, крупнейший учебный и научно-исследовательский центр в области химической технологии.

Показать больше