Двумерные (2D) наноматериалы для газовых сенсоров

Целью проекта является создание новых двухмерных 2D/МО газочувствительных материалов, которые объединяют в своей структуре 2D подложки на основе графена (GO, rGO) или слоистых халькогенидов (MoS2, MoSe2, WS2, WSe2) и иммобилизованные на их поверхности наночастицы полупроводниковых оксидов металлов МО = SnO2, ZnO, In2O3. В ходе выполнения проекта получены: 1. Высокодисперсные оксиды металлов методами химического осаждения из растворов и электроспиннинга в виде наночастиц и нановолокон с размером кристаллитов, контролируемым в диапазоне 3-50 нм и величиной удельной поверхности 50-200 м2/г;. 2. Квазидвумерные атомарно-тонкие пластинки SnO2 методом коллоидного синтеза; 3. Дисперсии двумерных дихалькогенидов молибдена и вольфрама методом химической эксфолиации; 4. Двумерные материалы 2D/МО путем иммобилизаци наночастиц полупроводниковых оксидов разной морфологии на поверхность 2D подложек на основе графена (G, GO, rGO). Для полученных материалов проведено исследование кристаллической структуры и параметров микроструктуры методами рентгеновской дифракции, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота. Анализ состава поверхности осуществлен методами ИК спектроскопии (FTIR), КР спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, термопрограммируемой десорбции аммиака, термопрограммируемого восстановления водородом. Исследование стабильности синтезированных материалов и определение условий окисления сульфидов металлов на воздухе в интервале температур 20-700С проведено методом термического анализа с масс-спектральным анализом отходящих продуктов TG-MS. Исследование процессов адсорбции и десорбции целевых газов, а также химических реакций на поверхности полупроводниковых оксидов и композитных материалов проведено методами масс-спектрометрии и ИК спектроскопии с преобразованием Фурье в режиме диффузного отражения (DRIFTS) в условиях in-situ с использованием оригинальных ячеек, разработанных при выполнении проекта. Исследование сенсорных свойств материалов по отношению к газам окислителям и восстановителям проводили in situ методом измерения электропроводности толстых плёнок исследуемых образцов при комнатной температуре и при нагреве в условиях подсветки. Для измерений использовали поверочные газовые смеси, с концентрациями в пределах ПДК согласно государственному санитарно-эпидемиологическому нормированию РФ. Результаты РФЭС, КР и ИК спектроскопии свидетельствуют об эффективной иммобилизации и формировании гетероконтактов между нанокристаллическими оксидами металлов SnO2, In2O3, ZnO и rGO, что усиливает хемосорбцию кислорода на поверхности нанокомпозитов по сравнению с индивидуальными оксидами металлов. Для нанокомпозитов In2O3/rGO обнаружена высокая чувствительность при детектировании аммиака при комнатной температуре в условиях УФ активации, в том числе во влажной атмосфере. Присутствие rGO в составе композита способствует снижению среднеквадратичного шума сенсорного отклика, что обеспечивает уменьшение минимальной детектируемой концентрации NH3. Проявляющийся во влажном воздухе эффект инверсии сенсорного отклика исследован методом DRIFTS в условиях operando. Установлено, что этот эффект обусловлен формированием NH4NO3 на поверхности оксида индия и его фотолизом с образованием оксидов азота NO и NO2. Нанокомпозиты на основе rGO и нановолокон ZnO проявляют высокую чувствительность по отношению к газам окислителям NO и NO2 при УФ-освещении при низких рабочих температурах. Возможной причиной усиления сигнала может быть образование p-n гетероконтакта на границе rGO и ZnO. Кроме того, эти сенсорные материалы не реагируют на газы-восстановители CO, NH3, H2, VOCs в температурном диапазоне 25-150С. В частности, композиты обладают селективной сенсорной чувствительностью к NO2 во всем диапазоне температур 25-150С. Полученные результаты имеют очень важное практическое значение для дальнейших прикладных исследований и применений Разработан новый способ получения двумерного SnO2 для сенсорных приложений. Нанолисты 2D SnO2 были успешно синтезированы путем окисления (при 500C) нанолистов SnS2, полученных методом коллоидного синтеза. Результаты, полученные методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, подтвердили, что выращенные нанолисты SnS2 и окисленные нанолисты SnO2 имеют двумерную морфологию. 2D SnO2 характеризуется высокой удельной поверхностью и повышенной поверхностной кислотностью, обусловленной наличием остаточных сульфат-анионов. Сочетание этих характеристик обеспечивает высокий сенсорный сигнал 2D SnO2 по отношению к NH3 при низкой температуре 200C в сухом воздухе, но в то же время приводит к инверсии сенсорного отклика при детектировании NH3 во влажной атмосфере. Нанолисты SnS2 являются хорошей матрицей для синтеза 2D SnO2, более того, особенности образующихся поверхностных активных центров могут быть полезны при создании сенсоров для детектирования газов с ярко выраженными основными свойствами.