Российские ученые разработали механизм детектирования молекулярного водорода нанокристаллическим сенсором ZnO-In2О3 (композит оксида цинка и оксида индия) при освещении зеленым светом. Рабочая температура такого газового датчика впервые снижена до комнатной. Работа опубликована в журнале Scientific Reports, кратко о результатах рассказывается в пресс-релизе Московского физико-технического института.
Сегодня активно разрабатываются системы мониторинга состава газовых смесей, состоящие из датчиков отдельных газов. Такие системы могут использоваться для анализа качества воздуха в атмосфере или замкнутых пространствах. Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха остается насущной проблемой во многих индустриальных странах. В промышленных районах, вблизи которых часто проживают люди, необходима возможность обнаружения выбросов вредных веществ в атмосферу фабриками и заводами. Определение состава воздуха необходимо и на таких объектах, как АЭС, подлодки, космические станции, где нет возможности закачки свежего воздуха извне. Увеличение концентрации углекислого газа в циркулирующем по вентиляционным системам воздухе или утечка какого-то вредного для здоровья вещества может привести к трагическим последствиям для работников.
Точное определение состава газа необходимо и для технических смесей. Например, в случае газового топлива. Хорошим источником энергии и альтернативой существующим нефтяным продуктам является водород. При сгорании (окислении) водорода образуется водяной пар, безвредный для окружающей среды. К тому же КПД такого топлива на 10–20% превышает эффективность сгорания нефтепродуктов. Водородное топливо уже начинают использовать отдельные автопроизводители как один из вариантов топлива будущего. Однако не стоит забывать трагическую историю дирижабля «Гинденбург», напоминающую об опасности водорода.
До недавнего времени газовые датчики на основе нанокристаллических оксидов металлов работали при температуре около 300–500 °C. Столь высокая температура делала небезопасным использование таких датчиков для детектирования взрывоопасных и горючих веществ. К тому же высокая рабочая температура приводит к большому энергопотреблению, что делает невозможным использование подобного рода датчиков газа в электронных платах портативных устройств.
Предложенные Леонидом Трахтенбергом, профессором МФТИ, Павлом Кашкаровым, директором Института нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных наук и технологий МФТИ, Александром Ильиным и Павлом Форшом из МГУ, а также их коллегами из Института химической физики РАН датчики на основе нанокомпозита оксида цинка и оксида индия ZnO-In2О3 работают при комнатной температуре. Для обеспечения максимальной эффективности работы датчики дополнительно освещаются зеленым светом. Новая разработка может использоваться для детектирования малых концентраций различных горючих, взрывоопасных и отравляющих веществ в атмосфере.
«Механизм заключается в переходе нанокристаллических компонентов датчика в неравновесное состояние под действием освещения и последующем изменении фотопроводимости датчика при взаимодействии с молекулярным водородом. Этот эффект обусловлен зависимостью величины фотопроводимости от скорости рекомбинации неравновесных носителей заряда», – рассказала соавтор работы, аспирантка лаборатории функциональных нанокомпозитов Института химической физики имени Н. Н. Семенова РАН Мария Иким.
Рисунок: Фотоэлектрическая проводимость (кривая 1) и электрическая проводимость (кривая 2) композитной пленки ZnO-In2О3, где доля ZnO составляла 10% общей массы, при периодическом обдувании потоком воздуха, содержащего водород. Оранжевым цветом выделены области сенсорного отклика.
«Разработанные нами детекторы отличаются от стандартных полупроводниковых сенсоров тем, что работают при комнатной температуре, в результате чего сводится на нет опасность возгорания или взрыва в процессе работы, если определяемое вещество горючее или взрывоопасное. Что касается сенсоров с фотоактивацией, то в большинстве работ обсуждается воздействие ультрафиолетового света и обычно изучаются газы-окислители. У светодиодов, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне, низкий КПД, и стоят они на порядок дороже светодиодов, работающих в видимой области спектра. Кроме того, в нашей работе на примере водорода рассматриваются газы-восстановители», – говорит доктор физико-математических наук, профессор кафедры химической физики МФТИ Леонид Трахтенберг.
В этой работе предложен новый механизм фотоактивации сенсорного отклика, учитывающий переход носителей электрического заряда в неравновесное состояние. Этот процесс является универсальным и может быть использован для интерпретации результатов как в газах-окислителях, так и в газах-восстановителях.
Разрабатываемые сенсоры могут быть использованы как для мониторинга состава воздуха, так и для анализа состава технических газообразных смесей. Хотя сейчас проводится работа по изучению состава газов, при некоторой модификации данный вид сенсоров может быть использован и при работе с жидкостями.