Исследователи ускорили разработку новых датчиков для контроля загрязнения воздуха

Исследователи Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова совместно с сотрудниками Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр Российской академии наук» установили фундаментальные закономерности, позволяющие целенаправленно создавать материалы для высокочувствительных газовых сенсоров.

Результаты исследования опубликованы в Russian Journal of General Chemistry.

Газовые сенсоры являются ключевым элементом современных систем экологического мониторинга и промышленной безопасности. Именно они позволяют обнаруживать токсичные газы и летучие органические соединения, контролировать выбросы предприятий и следить за качеством атмосферного воздуха.

Однако создание новых сенсорных материалов до сих пор во многом основывалось на длительном экспериментальном подборе состава. Авторы работы впервые подробно проследили взаимосвязь между химическим составом материала, его внутренней структурой и чувствительностью к различным газам, сформулировав принцип «состав — структура — свойства» для перспективных полупроводниковых сенсоров.

Исследователи синтезировали две серии наноматериалов на основе оксида олова и оксида вольфрама, модифицированных соединениями марганца, и изучили их способность обнаруживать угарный газ, оксид азота, аммиак, бензол и метанол. Комплекс современных методов анализа позволил установить, какие изменения происходят в материале во время синтеза и каким образом они влияют на чувствительность сенсора.

Наиболее важным результатом стало обнаружение, что введение марганца значительно повышает эффективность сенсоров на основе оксида олова при обнаружении летучих органических соединений, тогда как аналогичная модификация оксида вольфрама практически не улучшает характеристики материала. Исследователи показали, что причина заключается в различном химическом состоянии марганца и формировании разных кристаллических структур.

Полученные результаты позволяют отказаться от дорогостоящего метода «проб и ошибок» при разработке сенсорных материалов и перейти к научно обоснованному проектированию газовых датчиков с заранее заданными характеристиками.

Практическое применение

Разработанные подходы могут быть использованы при создании:

   высокочувствительных датчиков контроля атмосферного воздуха;

   систем мониторинга выбросов промышленных предприятий;

   сенсоров для предприятий нефтехимической, химической и энергетической отраслей;

   интеллектуальных систем экологического мониторинга и технологий «умного города»;

   портативных приборов контроля качества воздуха.

Значение для экологии промышленных городов

Новые знания помогут создавать более чувствительные отечественные сенсоры для обнаружения оксидов азота, угарного газа и летучих органических соединений — основных загрязнителей атмосферы промышленных городов.

Использование таких датчиков позволит:

   оперативно выявлять опасные концентрации загрязняющих веществ;

   повысить эффективность контроля промышленных выбросов;

   развивать распределённые сети экологического мониторинга;

   снизить экологические риски и улучшить качество городской среды.

Исследование имеет фундаментальное значение для отечественного материаловедения и сенсорных технологий. Оно закладывает научную основу для разработки нового поколения российских газовых сенсоров, востребованных в экологическом контроле, промышленной безопасности, медицине, транспорте и системах мониторинга окружающей среды. Переход от эмпирического подбора материалов к их рациональному проектированию позволит ускорить создание новых приборов, сократить затраты на разработки и повысить конкурентоспособность российских технологий.

Исследование выполнено при поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки и техники. (КНП «Экология промышленных городов»).

Источник: пресс-служба Минобрнауки России