Группа исследователей объединила полезные свойства фталоцианинов металлов и палладиевых мембран, чтобы создать активные слои датчиков для определения водорода. 

Такая операция значительно увеличивает чувствительность сенсоров. Об исследовании ученых из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) сообщается в журналах Dyes and Pigments и International Journal of Hydrogen Energy.

С одной стороны, датчики водорода решают экологические задачи, среди которых - качественная и количественная оценка содержания различных газов в составе воздуха (например, опасных угарного газа или аммиака). Данные, полученные с помощью таких датчиков, позволят правильно выстроить стратегию борьбы с загрязнением. С другой стороны, есть и медицинский аспект: существует заболевание мальабсорбция, у носителей которого в выдыхаемом воздухе повышено содержание водорода. Если сделать высокочувствительные датчики, способные фиксировать небольшой рост концентрации водорода, это заболевание можно будет успешно диагностировать. Это исследование - еще один этап реализации крупного проекта, поддержанного Российским научным фондом и направленного на разработку высокочувствительных сенсоров для детектирования различных газов.

Детекторы, с которыми работали авторы статьи, состоят из трех слоев. Внизу расположена подложка (она же - проводящий электрод), на нее наносится пленка из фталоцианинов (гетероциклические соединения темно-синего цвета), а поверх этой пленки - палладий. Создать такой датчик непросто. Для этого необходимо получить тонкую пленку фталоцианинов, а потом "положить" сверху слой палладия. Для этого используются прекурсоры - органические соединения, содержащие атомы палладия. В результате нагревания они разлагаются, органические фрагменты испаряются, а атомы металла образуют слой нужной структуры и толщины.

Что касается функционирования датчика, то водород достаточно легко проникает сквозь палладий и, поступая на поверхность пленки фталоцианина, изменяет ее проводимость.

"Сами по себе тонкие пленки фталоцианинов являются полупроводниками. И именно по изменению проводимости мы можем судить о том, "прицепился" водород или нет, и в какой концентрации он содержится в воздухе", - рассказал соавтор исследования Павел Краснов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии СФУ.

Авторы работы впервые получили и исследовали кристаллическую структуру тонких пленок палладиевых фталоцианинов, а также то, как меняют ее структуру атомы фтора в качестве заместителей. Фталоцианин - плоская молекула, на краях которой находятся атомы водорода. Если вместо атома водорода встает другой атом (в данном случае фтора), он называется заместителем.

Интерес к таким объектам появился у ученых после полученных ранее ими же результатов. Они показали, что введение в структуру фталоцианинов атомов фтора увеличивает сенсорный отклик (индикатор чувствительности) этих соединений при взаимодействии с молекулами газов. Дело в том, что фтор - более электроотрицательный элемент по сравнению с водородом, и способен в большей степени "оттягивать" на себя электроны с остальных атомов фталоцианина, включая и атом металла, находящийся в центре. Увеличение положительного заряда атома металла способствует более сильному связыванию молекул газов, поскольку такая связь возникает преимущественно по донорно-акцепторному механизму. Молекула газа является донором электронов (отдает электроны), а атом металла - их акцептором (присоединяет их).

Свою гипотезу ученые из СФУ подтвердили с помощью квантово-химических вычислений, а их коллеги из Института неорганической химии СО РАН - в результате непосредственного проведения экспериментальных работ, позволивших в конечном итоге получить прототипы датчиков.

В дальнейшем ученые хотят проверить возможность использования различных подложек - "посадить" фталоцианины не на электроды, а на углеродные структуры: графен или углеродные нанотрубки. Такая замена позволит получить более сильный отклик, то есть сделать датчик более чувствительным к водороду. Насколько именно вырастет чувствительность, могут показать только эксперименты. Второе перспективное направление исследований - сделать слой палладия более тонким (также для повышения отклика датчика).

Похожие новости

  • 15/04/2016

    Новосибирские химики очищают водоёмы с помощью растений

    ​Учёные Новосибирского государственного университета занимаются исследованием растений, способных накапливать в своих тканях тяжёлые металлы, чтобы применять их для очистки водоёмов и почв от ядовитых веществ, которые попадают в окружающую среду с отходами промышленных предприятий.
    3685
  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    420
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    3260
  • 18/01/2019

    России есть что показать в сфере передовых технологий

    Представленный под занавес ушедшего года Центром макроэкономического анализа и краткосрочного прогнозирования ежеквартальный аналитический обзор «Мониторинг и анализ технологического развития России и мира» дает панорамную итоговую за 2018 г.
    1328
  • 29/08/2016

    В Новосибирске будут производить шагающие экзоскелеты для инвалидов

    ​Заместитель генерального директора по инновационному развитию "Инновационного медико-технологического центра" (Новосибирского медтехнопарка) Анатолий Аронов на круглом столе в рамках форума "Новосибирск- город безграничных возможностей" рассказал, что будут производить резиденты второй очереди медицинского промышленного парка.
    2957
  • 26/10/2016

    Сибирские и китайские учёные обнаружили сильную фотолюминесценцию в «дефектном» графене

    ​Специалисты из Новосибирского государственного университета, Института неорганической химии СО РАН и Пекинского университета химических технологий исследовали свойства модифицированного графита — перфорированного окисленного графена.
    3183
  • 21/10/2019

    Истории самых громких научных открытий в Красноярске

    ​Мы узнаем о достижениях красноярских ученых из случайных новостей и разговоров, но порой недооцениваем значимость этих открытий. Newslab выбрал восемь поводов для гордости сибирской наукой — поводов, о которых уже говорит весь мир, а вы о них обязательно скоро услышите.
    220
  • 13/01/2017

    Лабораторные работы: ученые и инновации

    ​Ученые факультета наук о материалах и химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова совместно с научной группой под руководством Михаэля Гретцеля (EPFL, Швейцария) определили причину, по которой органо-неорганические перовскиты формируются в виде нанонитей.
    2537
  • 23/11/2017

    Сибирские ученые модернизировали метод расчета движения жидкостей

    ​Исследователи из Сибирского федерального университета (СФУ) в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета и Сибирского отделения РАН предложили использовать для гидродинамических расчетов систему из нескольких графических процессоров вместо центрального.
    1095
  • 14/11/2016

    Ученые из Красноярска сделают алюминиевое производство более экологичным

    ​Ученые СФУ совместно с коллегами из Института химии и химической технологии СО РАН ведут исследования по созданию нового материала - автоклавного угольного пека для производства электродов. По словам технического директора РУСАЛа Виктора Манна, осуществляющего непосредственное руководство работой, внедрение "экологичного" пека на алюминиевых заводах позволит значительно улучшить состояние воздуха, достигнуть нормативных показателей по выбросам вредных веществ в окружающую среду.
    1969