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.
    2610
  • 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.
    1710
  • 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.
    1983
  • 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.
    506
  • 19/11/2017

    Наука будущего: какими разработками гордятся молодые новосибирские учёные?

    ​Домики в сеточку Здания из сетчатых конструкций с закруглёнными ломаными формами — «последний писк» мировой архитектуры. В России их впервые стал строить создатель Шаболовской башни инженер Шухов, а самый известный пример под Новосибирском — здание Биотехнопарка в Кольцово.
    847
  • 13/11/2017

    Как в СФУ исследуют лесные пожары

    Наука - это далеко не всегда пробирки, звонкая тишина кабинета, всклокоченный ученый муж, пристально вглядывающийся в звездное небо. Иногда это комары, мозоли и намотанные по непролазной тайге километры.
    478
  • 01/11/2017

    Сибирские ученые изучили новый тип нанопластин для применения в медицине

    ​Ученые из Института физики имени Л. В. Киренского Красноярского федерального исследовательского центра Сибирского отделения РАН совместно с коллегами из Сибирского федерального университета впервые изучили магнитные свойства, структуру и состав новых наночастиц семейства халькогенидов (элементов 16-й группы периодической системы, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий).
    694
  • 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.
    1991
  • 03/09/2018

    Ученые рассчитали параметры устойчивости гибридных фотоэлектрических наноматериалов

    ​​Сибирские ученые совместно с иностранными коллегами рассчитали, какие параметры влияют на силу взаимодействия углеродных нанотрубок с фталоцианинами – сложными азотсодержащими соединениями. Гибридные конструкции на их основе можно использовать в качестве новых материалов для создания солнечных батарей, сенсоров и оптических приборов.
    154
  • 17/10/2016

    Новосибирские учёные исследуют искусственные наночастицы

    ​Группа специалистов из лаборатории радиоуглеродных методов анализа Новосибирского государственного университета и ряда институтов СО РАН провела исследование с помощью ускорительной масс-спектрометрии, результаты которого убедительно показали — искусственные наночастицы, которых в окружающей атмосфере становится всё больше, очень плохо выводятся из организмов млекопитающих.
    1848