Создание селективных газовых сенсоров аммиака с использованием наноматериалов, полученных с применением золь-гель процесса

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в ускоренном развитии промышленности во всем мире, решении экологических проблем, особенно проблемы мониторинга атмосферного воздуха, возникающей в результате интенсивного развитии химии, нефти и газовой химии применение селективных методов и чувствительных сенсоров становится актуальной проблемой. Полупроводниковые сенсоры относятся к числу чувствительных приборов, основными преимуществами которых являются простота в эксплуатации, портативность, значительный ресурс работы, высокая точность и быстродействие.
За годы независимости в Республике введены новые промышленные предприятия, использующие современные технологии, проводится модернизация производства ряда новых продуктов для различных отраслей промышленности. Значительно важным в сенсорике являются полупроводниковые газочувствительные материалы на основе SnO2, TiO2, ZnO, In2O3, MoO3, Fe2O3,WO3 и V2O$ широко применяемые на этих предприятиях при организация мониторинга смеси газов. Особое место занимают TiO2 и Fe2O3 из которых на основе золь-гель технологий получены газочувствительные материалы (ГЧМ), являющиеся по своим параметрам весьма перспективными. Для дальнейшего развития Республики Узбекистан соответствии стратегии действия развитии отросли химической промышленности, в частности, создание на основе золь-гель технологии селективных полупроводниковых газовых сенсоров имеет актуальное значение.
С развитием различных отраслей экономики особенно автотранспорта, энергетики и промышленности в мировых масштабах ужесточаются требования к экологическому мониторингу атмосферного воздуха. В связи с этим, усовершенствование существующих методов и приборов, разработка новых высокочувствительных полупроводниковых сенсоров, научное обоснование процессов получения селективных газочувствительных материалов и др. являются актуальным. Из них особое внимание уделяется изучению закономерностей золь-гель технологии получения полупроводниковых материалов, определению оптимальных параметров процесса, разработке высокоэффективных полупроводниковых сенсоров и определению их метрологических, аналитических и эксплуатационных характеристик.
Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных постановлением Президента Республики Узбекистан ПП-1442 от 15 декабря 2010 г. «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах», У П-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан» и постановлением № 142 Кабинета Министров от 27 мая 2013 года «О программе действий по охране окружающей среды Республики Узбекистан на 2013-2017 годы», а также другими нормативноправовыми документами, принятых в данной сфере.
Целью исследования является создание селективных полупроводниковых газовых сенсоров, определяющих концентрации NH^, с использованием наноматериалов, полученных с применением золь-гель процесса.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
впервые методом золь-гель технологии на основе TiO2 и Fe2O3 проведен целенаправленный синтез селективных газочувствительные материалы для определения NH3b смеси газов;
определено, что модификация оксидами железа газочувствительных нанокомпозитов на основе SiO2-TiO2 приводит к понижению температурного порога чувствительности и увеличению избирательности полупроводникового сенсора по NH3;
показано, что использование подобранных катализаторов и оптимальных параметров обеспечивает высокую чувствительность определения NH3 в присутствии Н2, СО и СН4;
определено селективность полупроводникового определения NHj, основанная на использовании газочувствительных материалов, содержащих катализаторы, обладающие неадекватной активностью к компонентам газовой смеси;
показано влияние различных факторов на метрологические, эксплуатационные и другие параметры полупроводникового сенсора аммиака на основе 5% Ғе2Оз - 95% TiO2.
Заключение
1. В широком интервале концентраций и температуры изучено влияние состава и соотношения компонентов исходного раствора на кинетику золь-гель процесса формирования полупроводниковых газочувствительных пленок на основе тетраэтокси силана. Установлено, что наиболее высокой устойчивостью характеризуются растворы, полученные при соотношении компонентов ТЭОС:Н2О: этанол: НС 1=1:20:30:0,05. Выбран оптимальный температурновременной режим (Т=450 °C, t=30 мин) синтеза газочувствительных пленок состава SiO2-TiO2. Результаты исследования позволили рекомендовать к управлению золь-гель процесса получения газочувствительного материала для высокочувствительного сенсора аммиака.
2. Разработана методика формирования газочувствительного материала на основе оксидов титана и железа по золь- гель технологии. Получены образцы тонких пленок состава TiO2-Fe2O3 для создания на их основе селективных сенсоров аммиака. Структура пленки представляет собой двухслойное покрытие: первый покрывающий подложку слой оксида титана, полнота и сплошное покрытие которого зависят от состава исходного золя; второй слой сетка, в основном состоящая из катализатора (оксида железа).
3. С учетом технического уровня и тенденций развития газовых сенсоров предложена и реализована конструкция сенсора NH3 на спирали из остеклованного платинового микропровода, покрытого газочувствительным материалом на основе оксидов титана и железа с использованием золь-гель технологии нанесения чувствительного слоя. Минимальные размеры чувствительного элемента и низкая теплопроводность платиновых выводов сенсора позволили снизить потребляемую мощность до 100 мВт. Это дает возможность успешного применения данных сенсоров в малогабаритных и автономных приборах, работающих от батарей.
4. С целью подбора катализатора для селективного полупроводникового сенсора изучались закономерности каталитического окисления горючих веществ на индивидуальных и бинарных оксидах металлов. Экспериментально подтверждена возможность создания высокоселективных полупроводниковых сенсоров с использованием газочувствительных материалов, содержащих катализаторы различной активности, к компонентам газовых смесей. Установлено, что высокой активностью и селективностью в процессе окисления аммиака обладает смесь 5%Fe2O3-95% TiO2. В присутствии данного катализатора при температуре 35О°С наблюдается полное (100%-ное) окисление NH3.
5. Разработаны высокоселективные и чувствительные полупроводниковые сенсоры для определения аммиака из смеси токсичных, пожаро и взрывоопасных газов. Оценены основные метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных селективных полупроводниковых сенсоров при определении аммиака. Данные сенсоры позволяют определять аммиак в широких интервалах его концентраций и обладают лучшими метрологическими и эксплуатационными характеристиками.
6. Выпущены экспериментальные образцы высокочувствительных газоанализаторов аммиака (BF-NH3) и изучены их основные метрологические и аналитические параметры.