Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в сотрудничестве с зарубежными коллегами разработали сенсорный элемент на основе модифицированных наночастиц диоксида титана, декорированных золотом. Сенсор можно применять для обнаружения опасных химических соединений в воздухе, что чрезвычайно важно для мониторинга состояния окружающей среды и работы систем безопасности на производстве. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Изображение наночастиц, сделанное на сканирующий электронный микроскоп
Фото: Neli Mintcheva et al. / Applied Surface Science
Изображение наночастиц, сделанное на сканирующий электронный микроскоп
Фото: Neli Mintcheva et al. / Applied Surface Science
Новый сенсор работает при обычной температуре, дополнительного нагрева анализируемых химических веществ не требуется. Это сложный наноматериал (нанопорошок), полученный в результате соединения материалов с противоположными свойствами — диэлектрика (диоксида титана) и металла (золота).
Создать его удалось благодаря простой и экологически чистой технологии лазерной абляции в жидкости. Ученые облучили находящиеся в воде наночастицы диоксида титана лазером и добавили к ним химический раствор с ионами золота. В результате на поверхности более крупных частиц диоксида титана образовались частицы золота.
«Лазерная абляция в жидкости — эффективная технология синтеза химически чистых функциональных наноматериалов, строение и состав которых могут быть очень разнообразны. Технология привлекает своей простотой, безопасностью для окружающей среды и невысокой стоимостью. Наноматериалы, получаемые в процессе жидкофазной лазерной абляции, можно использовать не только для создания сенсоров, чувствительных к опасным газам, но и для самого широкого круга задач: от реализации хемо- и биосенсорных платформ до создания солнечных элементов нового поколения. Очень важно, что жидкая среда, в которой происходит процесс синтеза наноматериалов, является естественным барьером, препятствующим попаданию наночастиц в окружающую среду»,— рассказал Станислав Гурбатов, руководитель проекта по гранту РНФ, научный сотрудник научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Инженерной школы ДВФУ (Владивосток), кандидат физико-математических наук.
Ученый объяснил, что для изготовления сенсорного элемента использовали коммерчески доступный нанопорошок диоксида титана, который тонко измельчили в водной среде. Полученную дисперсию облучали миллисекундным лазером с длительностью вспышки в одну тысячную долю секунды. Много это или мало — тысячная доля? Для сравнения, если часы спутника собьются на одну тысячную долю секунды, то координаты он будет выдавать с погрешностью 200–300 километров. В лазерах миллисекундный режим используют для сварки, там, где вещество требуется расплавить. Затем к дисперсии добавляли раствор, содержащий ионы золота (тетрахлороаурат натрия), в результате чего на поверхности диоксида титана образовались частицы металлического золота. Ученым удалось контролировать плотность декорирующих наночастиц золота на поверхности диоксида титана. За счет этого они настроили чувствительность сенсора к молекулам различных опасных соединений — аммиака, ацетальдегида и бензола, которые достаточно широко используются в химической промышленности.
«Новый сенсорный элемент меняет электрическую проводимость при контакте с молекулами газа. Это можно легко определить с помощью обычного электрометра при комнатной температуре. Полученные наноструктуры обладают высокой чувствительностью к газам-аналитам, что в совокупности с простой технологией изготовления и возможностью проводить измерения при комнатной температуре делает их привлекательными для коммерческого использования»,— рассказал Сергей Кулинич, профессор, руководитель научного направления, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Инженерной школы (ИШ) ДВФУ, кандидат химических наук.
Новый газовый сенсор стал первой разработкой нового направления в ИШ ДВФУ «Синтез наноматериалов методом лазерной абляции в жидкостях».
По материалам статьи Room-temperaturegassensingoflaser-modifiedanatase TiO2 decoratedwithAunanoparticles; NeliMintcheva, ParthasarathySrinivasan, JohnBoscoBalaguruRayappan, Aleksandr A. Kuchmizhak, StanislavGurbatov, Sergei A. Kulinich; журнал AppliedSurfaceScience, март 2020 г.