Разработка высокочувствительных полупроводниковых газовых сенсоров с низким энергопотреблением для селективного детектирования летучих органических соединений (VOCs)НИР

Development of indoor and outdoor VOCs semiconductor gas sensors with high sensitivity and selectivity, and low power consumption

Соисполнители НИР

МГУ имени М.В.Ломоносова Координатор
Университет Ханьянг, г. Сеул Соисполнитель

Источник финансирования НИР

ФЦП: Федеральная целевая программа, Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Этапы НИР

# Сроки Название
1 22 ноября 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка методики синтеза нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов, обладающих фотокаталитическими свойствами (SnO2, In2O3, ZnO, TiO2), функционализированных кластерами металлов Pt группы, Ag, Au
Результаты этапа: За отчетный период проведен анализ современной научно- технической литературы по методам синтеза и функционализации нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов; проведены патентные исследования по методикам синтеза газочувствительных нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов, фотокатализаторов, и кластеров металлов Pt, группы Ag, Au; разработаны методики синтеза нанокомпозитов на основе полупроводникового оксида и фотокатализатора методами химического осаждения из раствора с последующей термической обработкой, электроспиннига и распылительного пиролиза в пламени; разработана методика функционализации нанокомпозитов кластерами металлов Pt группы, Ag, Au. С использованием перечисленных методик получены экспериментальные образцы нанокомпозитов на основе полупроводниковых оксидов, обладающих фотокаталитическими свойствами (SnO2, In2O3, ZnO, TiO2), функционализированных кластерами металлов Pt группы, Ag, Au.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование состава, кристаллической и локальной структуры, электрофизических, фотоэлектрических и сенсорных свойств нанокомпозитов
Результаты этапа: Проведены анализ состава нанокомпозитов методом рентгено-флуоресцентного анализа, анализ электронного состояния элементов методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, исследование электрофизических свойств методом измерения электропроводности на постоянном токе и спектроскопии импеданса, определение работы выхода электрона в нанокомпозитах; изготовлены лабораторные образцы газовых сенсоров на основе нанокомпозитов, синтезированных на 1 этапе выполнения проекта; разработан лабораторный регламент проведения тестирования и оценки сенсорных свойств при постоянной температуре, в динамическом температурном режиме, в темновых условиях, при облучении светом УФ и видимого диапазона спектра; проведены исследования сенсорных свойств нанокомпозитов при постоянной температуре и в динамическом температурном режиме при детектировании бензола, формальдегида, в диапазоне концентраций 0.5-10 ПДК рабочей зоны в воздухе и в газовых смесях, содержащих этанол, ацетон, СО, NO2 в диапазоне концентраций 0.5-10 ПДК рабочей зоны; проведены исследования реакционной способности нанокомпозитов во взаимодействии с летучими органическими соединениями в темновых условиях и при облучении светом УФ и видимого диапазона спектра, влияния влажности на сенсорные свойства нанокомпозитов, оптимизация свойств нанокомпозитов.
3 1 января 2019 г.-31 июля 2019 г. Создание лабораторного образца мультисенсорной системы
Результаты этапа: Настоящее исследование направлено на разработку и апробацию сенсорных материалов нового поколения на основе нанокристаллических полупроводниковых оксидов металлов и иммобилизованных на их поверхности фотокатализаторов для решения проблемы повышения чувствительности, селективности и снижения энергопотребления мультисенсорных систем для детектирования токсичных летучих органических веществ (volatile organic compounds, VOCs) в воздухе рабочей зоны и жилых помещениях. Проект подразумевает реализацию нового принципа детектирования летучих органических соединений в атмосфере посредством газовых сенсоров резистивного типа, работающих в условиях минимального термического нагрева, совмещенного с подсветкой маломощным источником УФ или видимого диапазона спектра. Решение этой задачи становится возможным при использовании в качестве сенсорных материалов нанокомпозитов на основе нанокристаллических полупроводниковых оксидов и фотокатализаторов, обеспечивающих низкотемпературное фотокаталитическое разложение/окисление молекул целевых газов на поверхности полупроводникового оксида. В соответствии с Техническим заданием целью 3 этапа является создание лабораторного образца мультисенсорной системы и его испытания в лабораторных условиях при детектировании летучих органических соединений формальдегида и бензола в воздухе. За отчетный период: создан лабораторный образец мультисенсорной системы; проведена калибровка газовых сенсоров в зависимости от температуры и состава газовых смесей в темновых условиях и при облучении светом УФ и видимого диапазона спектра; разработан математический нейросетевой алгоритм обработки сенсорного сигнала; проведены лабораторные испытания лабораторного образца мультисенсорной системы; проведено обобщение результатов и разработаны рекомендации по использованию результатов НИР; проведены дополнительные патентные исследования по теме «Газовые сенсоры для детектирования формальдегида» по ГОСТ Р15.011-96. Иностранным партнером – Университетом Ханьянг, г. Сеул проведены: исследования сенсорных свойств нанокомпозитов при детектировании летучих органических соединений в воздухе на уровне ПДК рабочей зоны в условиях самонагрева; работы по оптимизации конфигурации микроэлектронного чипа для снижения энергопотребления газового сенсора, работающего в условиях самонагрева или динамического нагрева в темновых условиях и при облучении светом УФ и видимого диапазона спектра. Созданный на заключительном этапе лабораторный образец мультисенсорной системы, включает сенсорный массив, состоящий из 4 различных полупроводниковых химических газовых сенсоров резистивного типа; сенсорную камеру с изолированными от внешнего освещения четырьмя гнездами для коммутации сенсоров, газовыми каналами для ввода и вывода газов и светодиодом для внутренней подсветки сенсоров; блок управления питанием и сбора сенсорной информации для обеспечения питания нагревателей микронагревательных подложек элементов сенсорного массива, питания источника освещения, считывания данных с сенсорного массива, который обеспечивает непрерывное измерение сопротивления элементов сенсорного массива в диапазоне 102 – 109 Ом, требуемый температурный режим измерений в диапазоне 25 – 500°С, требуемый режим подсветки источником УФ или видимого диапазона спектра. Проведенные лабораторные испытания показали, что разработанный алгоритм обеспечивает производительность при работе с большими объемами разнородных данных, высокую скорость работы, допустимые погрешности работы при детектировании летучих органических соединений – формальдегида и бензола – в сухом воздухе в концентрации 0.5 – 10 ПДК рабочей зоны. Установлено, что применение излучения видимого и ультрафиолетового диапазона спектра для активации сенсоров позволяет повысить точность определения газов при снижении энергопотребления. Таким образом, взаимодополняющие компетенции российского и корейского партнеров и совместное выполнение работ обеспечили достижение основной цели проекта – создание сенсорных материалов, полупроводниковых сенсоров и мультисенсорной системы нового поколения с высокой чувствительностью и селективностью и пониженным энергопотреблением для детектирования токсичных летучих органических веществ (volatile organic compounds, VOCs) в воздухе рабочей зоны и жилых помещениях.

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".