Разработка метода экспресс-анализа параметров газовых сенсоров и фотокатализаторов

Разработана методика приготовления тонких плёнок оксида цинка, легированного медью и железом, в рамках золь-гель метода. Все полученные образцы были исследованы методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), атомно-силовой микроскопии (АСМ), рентгеновского фазового анализа (РФА) и энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDX). Результаты РЭМ и АСМ показывают, что все полученные образцы имеют два уровня иерархии: первый представлен нанокристаллитами ZnO размером 50 - 80 нм, которые собираются в проводящие ветви диаметром около 1 - 2 мкм на втором уровне. Для объяснения полученных результатов были разработаны оригинальные модельные представления. По данным РФА чистые и легированные медью и железом образцы ZnO имеют структуру типа вюрцит, других фаз в образцах не обнаружено. По данным EDX выяснено, что концентрация примесных атомов железа и меди ниже, чем в исходном золе. Для измерения газочувствительных свойств образцов были изготовлены сэндвич-структуры ZnO/ZnO - Cu, газочувствительность которых рассчитывали как относительное изменение ЭДС, возникающей в образцах при нагреве, при воздействии паров этанола. Изучены температурные и концентрационные зависимости газочувствительности. Было установлено, что максимальная газочувствительность достигается при 280°С и составляет 1500% при воздействии 1000 ppm этанола. Также для сравнения газочувствительных свойств чистого и модифицированного катионами металлов оксида цинка были изготовлены образцы пленок ZnO и ZnO с концентрациями катионов в материале 0,05; 0,1 и 0,15% ат. Их сенсорный отклик рассчитывали как относительное изменение электрического сопротивления пленок при воздействии газа-анализатора и на воздухе. Было установлено, что введение железа и меди в газочувствительную пленку во всех случаях приводит к уменьшению сенсорного отклика. Выяснены фотокаталитические и фотолюминесцентные свойства полученных образцов, а также определены корреляционные зависимости между ними и газочувствительными свойствами. Фотокаталитическую активность образцов ZnO исследовали в модельной реакции окисления метиленового синего. Установлено, что введение меди в ZnO в концентрации 0,05% ат. ухудшает фотокаталитическую активность, однако дальнейший рост концентрации Cu²⁺ способствует ее увеличению до значений, превышавших немодифицированные образцы. Введение железа в ZnO во всем исследованном диапазоне концентраций приводит к ухудшению фотокаталитичекой активности образцов. Спектры фотолюминесценции образцов были исследованы в диапазоне энергий 2,6 - 3,6 эВ. Для всех образцов характрен УФ-эмиссионный пик при энергии порядка 3,2 эВ, который соответствует краю фундаментального поглощения. Введение 0,05% ат. Cu в ZnO приводит к ослаблению интенсивности фотолюминесценции, однако, добавка 0,1 и 0,15% ат. Cu приводит к заметному увеличению интенсивности, превышающему значения нелегированного образца. Введение железа в ZnO приводит к усилению люминесценции пропорционально увеличению концентрации катионов Fe³⁺. Анализ полученных результатов показывает связь между фотокаталитическими и фотолюминесцентными свойствами оксида цинка, модифицированного медью и железом: в большинстве случаев увеличение фотокаталитической активности материала сопровождается ослаблением интенсивности фотолюминесценции. Это позволяет использовать метод люминесцентной спектрофотометрии для экспресс-анализа фотокаталитической активности материалов.Также полученные результаты говорят о наличии формальной связи между газочувствительными свойствами полученных материалов к этанолу и интенсивностью спектров фотолюминесценции. В большинстве случаев уменьшение сенсорного отклика к этанолу сопровождается усилением интенсивности фотолюминесценции (за исключением образца ZnO<0,05Cu>). Следует, однако, отметить, что данная связь носит косвенный характер и может зависеть как от состава и структуры газочувствительных материалов, так и от сорта газа-анализатора.