Создание газовых детекторов химически опасных фосфорорганических и азотсодержащих веществ на основе селективных нанокристаллических полупроводников и молекулярно-ситовых концентраторовНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 октября 2012 г.-31 декабря 2012 г. Создание газовых детекторов химически опасных фосфорорганических и азотсодержащих веществ на основе селективных нанокристаллических полупроводников и молекулярно-ситовых концентраторов
Результаты этапа: Проект направлен на разработку методики детектирования опасных продуктов в воздухе на основе технологии совмещения полупроводниковых детекторов с предварительным концентрированием целевых молекул на молекулярных ситах. За отчетный период разработаны методики и синтезированы нанокристаллические полупроводниковые оксиды металлов, химически модифицированные каталитическими кластерами, обладающие селективностью к фосфорорганическим и азот-содержащим молекулам. Синтез нанокристаллических оксидов SnO2, In2O3, ZnO с размером кристаллитов, контролируемым в диапазоне 3-20 нм проведен методом химического осаждения из коллоидных растворов. Каталитические кластеры Au, PtO2, PdO, RuO2, CuO, NiO нанесены на поверхность полупроводниковой матрицы в процессе синтеза или методом пропитки нанокристаллических оксидов. Для селективного концентрирования целевых газов синтезированы мезопористые сложные алюмосиликаты (аналоги цеолита) с различной пористой структурой с контролируемой системой пор диаметром от 5.5 А до 30 А. Состав, кристаллическая структура и микроструктура синтезированных нанокристаллических полупроводников и цеолитов изучены методами рентгеновской дифракции, растровой и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, локального рентгеноспектрального анализа и др. Размеры кристаллитов и пор определены из данных низкотемпературной адсорбции азота (ВЕТ). Реакционная способность материалов по отношению к целевым газам изучена методом термопрограммируемого восстановления (ТПВ) и термопрограммируемой десорбции (ТПД) зондовых молекул. Прототипы полупроводниковых газовых сенсоров изготовлены на основе микроэлектронных чипов, снабженных Pt нагревателем и контактами для измерения электропроводности. Материалы нанесены на микроэлектронный чип в виде пасты по толстопленочной технологии с использованием терпениола в качестве связующего. Измерения сенсорных свойств материалов проведены на полностью автоматизированном стенде при детектировании H2S и NH3. В качестве фосфорорганического целевого продукта использован диметилметилфосфонат (ДММФ), в качестве азотсодержащего вещества использован несимметричный диметилгидразин (НДМГ). Разработан и создан лабораторный стенд, позволяющий контролировать концентрацию целевых газов в воздухе в диапазоне 20 ppb – 2 ppm. Создан лабораторный прототип мультисенсорной системы с предварительным концентрированием целевых газов, который был испытан при детектировании 100 ppb ДММФ и 0.1мг/м3 НДМГ.
2 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Создание газовых детекторов химически опасных фосфорорганических и азотсодержащих веществ на основе селективных нанокристаллических полупроводников и молекулярно-ситовых концентраторов
Результаты этапа: За отчетный период синтезированы новые материалы для химических сенсоров и концентраторов, обладающие селективностью к фосфорорганическим и азот-содержащим молекулам. Комплексом методов, в том числе методом термоконтролируемой десорбции зондовых молекул, электронного парамагнитного резонанса, ИК спектроскопии определена природа активных центров и оценена их концентрация на поверхности сенсорных материалов при взаимодействии с парами токсичного целевого вещества. Создан лабораторный прототип газоанализатора, состоящий из адсорбционных концентраторов и полупроводниковых газовых сенсоров резистивного типа. Разработано техническое решение совмещения предконцентраторов и сенсоров в один модуль, настроенный на детектирование фосфорорганических отравляющих веществ (ДММФ) или азотсодержащих компонентов ракетного топлива (НДМГ). Разработано техническое решение и электронная схема управления газовыми потоками и регистрации сенсорных сигналов с помощью персонального компьютера. Созданы две газодинамические системы получения газовых смесей для ДММФ и НДМГ с концентрацией целевых веществ, контролируемой в диапазоне 10-3-10-1 мг/м3. Использована система ступенчатого разбавления с использованием цифровых контролеров потока Бронкхорст, Голландия, генераторов чистого воздуха, криостата и генератора потока ГДП-101. Разработана система каталитического окисления несимметричного диметилгидразина до оксидов азота с последующим доокислением продуктов реакции до NO2, которая использована в газоанализаторе в качестве дополнительного канала для повышения чувствительности определения НДМГ в воздухе. Создан лабораторный прототип газоанализатора с предварительным концентрированием целевых газов. Проведены лабораторные испытания газоанализатора при детектировании фосфорорганических веществ ДММФ и азотсодержащих компонентов ракетного топлива в воздухе НДМГ. Показано, что использование полупроводниковых сенсоров с предварительным адсорбционным концентрированием позволило обнаружить ДММФ в концентрациях ниже 10-2 мг/м3, а НДМГ в концентрации 10-3 мг/м3. Показано, что в диапазоне концентраций целевых веществ 20 ppb-200 ppb сенсорный сигнал линейно изменяется с концентрацией целевых веществ. Построены калибровочные зависимости сенсорного сигнала от концентрации целевых веществ в воздухе. Показана стабильная и воспроизводимая работа системы при детектировании целевых веществ в более чем 500 циклах адсорбции-термодесорбции.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".