Создан новый композит из оксида индия, нанотрубок и меди для газовых сенсоров
Обнаружение и мониторинг газообразных веществ очень востребованы в промышленности, сельском хозяйстве, экологии и медицине. В результате велик спрос на новые устройства и чувствительные к газам материалы, обладающие улучшенными свойствами. Среди лидеров направления — наночастицы полупроводниковых оксидов металлов, с помощью которых можно обнаруживать широкий спектр органических и неорганических газообразных веществ.
В своей новой работе коллектив ученых из России, Беларуси и Швеции сосредоточился на совершенствовании газовых наносенсоров на основе оксида индия, обладающего относительно низкой энергией активации проводимости, что обеспечит высокую чувствительность устройства. Улучшение газовых сенсоров в основном связано с разработкой наноструктурированных материалов с различной морфологией частиц и их комбинаций друг с другом и другими нанокристаллами. Так можно добиться синергетического эффекта, например, за счет улучшенной адсорбции определяемых молекул или увеличения подвижности зарядов. Авторы предложили композит, в состав которого вошел оксид индия с закрепленными на его частицах углеродными нанотрубками с медью.
Материал был получен гель-золь методом: ученые добавляли предварительно синтезированный порошок модифицированного медью графена в индийсодержащий гель. Такую смесь обрабатывали ультразвуком и высушивали до образования ксерогеля — геля, из которого удалена вся жидкость. Финальный наноматериал в виде порошка получали прокаливанием — его использовали для изучения свойств. Также из исходной смеси авторы изготавливали чувствительные элементы одноэлектродного газового датчика, чтобы проверить, насколько их разработка поможет в определении различных летучих веществ.
Нанокомпозит обладает кристаллической структурой с большим количеством дефектов, влияющих на энергетическое состояние поверхности и концентрацию свободных электронов. Это, в свою очередь, обусловливает и высокую чувствительность материала к газам с окислительными (NO2) и восстановительными (ацетон, этанол, метан) свойствами; оптимальная рабочая температура составила 280–510°С. Наибольшую эффективность материал показал в случае NO2, а зависимость сигнала от концентрации газа была линейной, что очень удобно на практике.
«В целом полученные нанокомпозиты представляют большой научный интерес и перспективны для практического применения в высокочувствительных сенсорах газов различной химической природы. Предлагаемый подход к синтезу также можно использовать для получения широкого спектра наноматериалов и композиций с контролируемыми фазами и микроструктурами», — считают авторы работы.