Синтез ультрадисперсных сложнооксидных материалов на основе диоксида титана, обладающих высокой газочувствительной активностью : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ ; научный руководитель Н. Е. Боборико

Abstract

Объектом исследования являлись композиционные оксидные материалы на основе диоксида титана с использованием в качестве модифицирующих добавок оксидов индия, галлия, алюминия, меди, молибдена, олова, железа, а также керамические сенсоры с газочувствительными элементами на основе синтезированных материалов. Предметом исследования являлись газочувствительные свойства синтезированных композиционных материалов в газовоздушных смесях, содержащих водород, метан, угарный газ. Целью данной научно-исследовательской работы являлся синтез новых ультрадисперсных оксидных материалов на основе диоксида титана, изучение и улучшение газочувствительных свойств синтезированных материалов. В работе использованы методы препаративной неорганической химии, в частности золь-гель метод, позволяющий получать оксидные композиционные материалы заданного состава и структуры, методы измерения выходного сигнала сенсоров в газовоздушных средах Н2-воздух, СН4-воздух, СО-воздух, а также физические методы исследования фазового состава, структурных особенностей и морфологии оксидных материалов – рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия. В результате выполнения работы золь-гель методом синтезированы композиты TiO2–Al2O3, TiO2–In2O3, TiO2–Ga2O3, TiO2–SnO2, TiO2–Fe2O3, TiO2–MoO3, TiO2–CuO с различным мольным соотношением оксидов. Установлено, что твердотельные химические газовые сенсоры, сформированные на основе синтезированных композитов, обладают высокой термокаталитической газочувствительной активностью по отношению к Н2 и СО. Показано, что оптимальный температурный интервал детектирования СО составляет 170 °С, Н2 – 300 °С. Установлено, что наилучшими газочувствительными свойствами в Н2-воздушной среде обладают сенсоры, сформированные на основе композиционных материалов TiO2–Al2O3 с содержанием Al2O3 20 мол. %, TiO2–SnO2 с содержанием SnO2 10 мол. %, TiO2–MoO3 с содержанием МоО3 1 мол. % и TiO2–Fe2O3 с содержанием Fe2O3 10 мол. %. В СО-воздушной среде наибольшим выходным сигналом характеризуются сенсоры, сформированные на основе композитов TiO2–SnO2 с содержанием SnO2 10 мол. %, TiO2–MoO3 с содержанием МоО3 1 мол. %, TiO2–Fe2O3 с содержанием Fe2O3 10 мол. % и TiO2–CuO с содержанием CuO 20 мол.%. В метано-воздушной среде сенсоры обладают низким выходным сигналом в полупроводниковом режиме. Исследованы зависимости газочувствительных свойств оксидных материалов от их химического и фазового состава, структурных особенностей, условий синтеза и последующей температурной обработки. Величина выходного сигнала сенсоров зависит от химического состава газочувствительного материала, количественного соотношения оксидов в композите и от способа его получения, фазового состава материала и его структурных особенностей. Наилучшими выходными характеристиками обладают сенсоры на основе оксидных композитов, в которых возможно сохранение анатазной модификации диоксида титана при высоких температурах, содержащих при этом большое количество адсорбированных молекул воды и поверхностных ОН-групп, обладающих развитой поверхностью, обеспечивающей эффективное протекание адсорбционно-каталитических процессов, а также имеющие в своем составе центры, способные к легкому изменению валентного состояния. На основании результатов проведенного исследования поданы две статьи в научно рецензируемые журналы, опубликованы тезисы двух докладов международных научных конференций. Результаты работы подтверждены двумя актами об их практическом использовании в учебном процессе – в лекционном курсе «Строение вещества» и при проведении лабораторного практикума по курсу «Неорганическая химия» на кафедре неорганической химии БГУ. Полученные результаты могут быть использованы при производстве термокаталитических газовых сенсоров с улучшенными газочувствительными характеристиками по отношению к водороду, угарному газу.