Нанокомпозитный материал с улучшенными газочувствительными свойствами состоит из оксида цинка с малыми добавками палладия и предназначен для обнаружения паров ацетона. Разработка демонстрирует масштабируемый способ получения материалов для высокочувствительных детекторов легколетучих органических соединений, считают авторы.

Исследование выполнено коллективом учёных из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Института физики Казанского федерального университета, Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН и Московского физико-технического института. Подробнее с результатами можно ознакомиться в Journal of Alloys and Compounds.

«Интенсивное развитие энергетики, химической и металлургической промышленности и параллельное увеличение масштабов переработки и сжигания отходов приводят к росту уровня загрязнения окружающей среды. Для контроля качества воздуха в жилых и производственных зонах необходимо создание селективных, стабильных, высокочувствительных газовых сенсоров. Такие сенсоры находят применение и в медицине — для диагностики заболеваний, где особенно важно обнаружение низких концентраций газов», — отмечает старший научный сотрудник Лаборатории физикохимии керамических материалов ИОНХ РАН, руководитель проекта Артём Мокрушин.

Для увеличения чувствительности рецепторного материала газового сенсора авторы работы предложили декорировать наночастицами палладия более крупные наночастицы оксида цинка. В результате серии синтезов была получена линейка образцов с различным содержанием палладия (от 0,5 до 3,0 %), а затем изучено его влияние на сенсорные и физико-химические свойства.

Методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой удалось с большой точностью подтвердить заданную концентрацию палладия в образцах. Отдельные наночастицы палладия имеют сложную структуру, так называемую «ядро-оболочка», где ядром является металлический палладий, а оболочкой — оксид палладия, говорится в исследовании.

«Декорирование поверхности палладием является удобным и эффективным инструментом для значительного увеличения чувствительности к газам, по отношению к которым палладий проявляет каталитическую активность, например, к летучим органическим соединениям. Мы обнаружили, что полученные нами материалы позволяют детектировать сверхнизкие концентрации ацетона, что является необходимым для неинвазивной диагностики некоторых заболеваний, например, сахарного диабета и рака лёгких. Данное направление только начинает развиваться, но в перспективе мы можем получить недорогой и универсальный прибор для первичной диагностики пациентов», — комментирует Артём Мокрушин.

В результате комплексного исследования полученных нанокомпозитов было установлено, что при декорировании оксида цинка всего 1 % наночастиц палладия удаётся на два порядка увеличить отклик к легколетучим органическим соединениям, а также к другим газам. Снижение расхода палладия является важным в экономическом плане и делает методику более доступной и легко масштабируемой. С использованием специального испытательного стенда был выявлен наименьший предел обнаружения ацетона, который составил одну миллиардную долю (100 ppb), что является чрезвычайно низким значением для данного типа сенсоров и указывает на высокую сенсорную чувствительность синтезированного нанокомпозита. Детектирование даже таких низких концентраций можно осуществлять с хорошей воспроизводимостью и достаточно высоким сенсорным откликом.

В дальнейшем авторы планируют разработать новые методы синтеза и других нанокомпозитных материалов, которые будут применяться в более сложных мультисенсорных устройствах.

Работа поддержана Российским научным фондом (№ 24-13-00254).

Источник: пресс-служба ИОНХ РАН.