Российские учёные разработали механизм детектирования молекулярного водорода нанокристаллическим сенсором ZnO-In2О3 (нанокомпозит оксида цинка и оксида индия) при освещении зелёным светом. Рабочая температура такого газового датчика впервые снижена до комнатной. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.
Сегодня активно разрабатываются системы мониторинга состава газовых смесей, состоящие из датчиков отдельных газов. Такие системы могут использоваться для анализа качества воздуха в атмосфере или в помещениях. Мониторинг загрязнения атмосферного воздуха остаётся насущной проблемой во многих индустриальных странах. В промышленных районах, вблизи которых часто проживают люди, важно вовремя обнаруживать выбросы вредных веществ в атмосферу фабриками и заводами.
Определение состава воздуха необходимо и на таких объектах, как атомные электростанции, 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. Водород считается хорошим источником энергии, он может рассматриваться и как альтернатива существующим нефтяным продуктам. 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 Форшем 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 зелёным светом. Новая разработка может использоваться для определения 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», — рассказывает соавтор работы, аспирантка лаборатории функциональных нанокомпозитов Института химической физики имени Н. Н. Семёнова РАН Мария Иким.
«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», — поясняет 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 новый вид сенсоров может быть использован и при работе с жидкостями.