RU2725031C1 - Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof - Google Patents
Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725031C1 RU2725031C1 RU2019123151A RU2019123151A RU2725031C1 RU 2725031 C1 RU2725031 C1 RU 2725031C1 RU 2019123151 A RU2019123151 A RU 2019123151A RU 2019123151 A RU2019123151 A RU 2019123151A RU 2725031 C1 RU2725031 C1 RU 2725031C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sol
- hours
- gas sensors
- nanomaterial
- carbon nanomaterial
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения пористых композиционных материалов на основе аэрогелей с добавками углеродных наноматериалов и может быть использовано для создания чувствительных элементов газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The invention relates to the field of production of porous composite materials based on aerogels with the addition of carbon nanomaterials and can be used to create sensitive elements of gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Известен способ изготовления композиционного материала для газовых сенсоров [RU 2532428, C1, G01N 27/12, В82В 3/00, 10.11.2014], заключающийся в образовании гетероструктуры из различных материалов, в которой формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников, при этом, газочувствительный слой формируют в виде тонкой нитевидной наноструктуры (SiO2)20%(SnO2)80%, где 20% - массовая доля SiO2, а 80% - массовая доля компонента SnO2, путем нанесения золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложку из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, золь приготавливают в два этапа, на первом этапе смешивают тетраэтоксисилан (ТЭОС) и этиловый спирт (95%) в соотношении 1:1,046 при комнатной температуре и смесь выдерживают до 30 минут, затем на втором этапе в полученный раствор вводят дистиллированную воду в соотношении 1:0,323, соляную кислоту (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2⋅2H2O) в соотношении 1:0,399, где за единицу принят объем ТЭОС, и перемешивают не менее 60 минут.A known method of manufacturing a composite material for gas sensors [RU 2532428, C1, G01N 27/12, B82B 3/00, 11/10/2014], which consists in the formation of a heterostructure from various materials in which a gas-sensitive layer is formed, after which it is fixed in the sensor housing and the contact pads are connected to the case leads using contact conductors, while the gas-sensitive layer is formed as a thin whisker nanostructure (SiO 2 ) 20% (SnO 2 ) 80% , where 20% is the mass fraction of SiO 2 and 80% the mass fraction of the SnO 2 component, by applying an orthosilicic acid sol containing tin hydroxide to a silicon substrate, on the surface of which a region of 1 μm wide, 200 nm deep is formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, the sol is prepared in two stages , at the first stage, tetraethoxysilane (TEOS) and ethyl alcohol (95%) are mixed in a ratio of 1: 1.046 at room temperature and the mixture is kept for up to 30 minutes, then, at the second stage, distilled water in the ratio of 1: 0.323, hydrochloric acid (HCl) in the ratio of 1: 0.05, and tin chloride (SnCl 2 хло 2H 2 O) in the ratio of 1: 0.399, where per unit the volume of TEOS, and mix for at least 60 minutes.
Недостатками данного способа являются сложность и трудоемкость нанесения газочувствительного слоя на кремниевую подложку.The disadvantages of this method are the complexity and complexity of applying a gas-sensitive layer to a silicon substrate.
Известен также способ изготовления газочувствительного материала [RU 2509302, C1, G01N 27/12, B82Y 30/00, 10.03.2014], заключающийся в приготовлении золя путем растворения неорганической соли цинка в спирте, добавлении тетраэтоксисилана, распределении золя по поверхности подложки и отжиге, после чего проводят обработку полученного материала потоком электронов, ускоренных до энергии 540-900 кэВ, при поглощенной дозе 25-200 кГр.There is also known a method of manufacturing a gas-sensitive material [RU 2509302, C1, G01N 27/12, B82Y 30/00, 03/10/2014], which consists in preparing a sol by dissolving an inorganic zinc salt in alcohol, adding tetraethoxysilane, distributing the sol over the surface of the substrate and annealing, after which the obtained material is processed by a stream of electrons accelerated to an energy of 540-900 keV, with an absorbed dose of 25-200 kGy.
Недостатком этого способа является относительно узкая область применения и относительно большая сложность, вызванная необходимостью проведения дополнительной обработки материала потоком электронов с энергией более 540 кэВ для активации адсорбционных центров.The disadvantage of this method is the relatively narrow scope and relatively large complexity due to the need for additional processing of the material by an electron stream with an energy of more than 540 keV to activate adsorption centers.
Наиболее близкими по технической сущности к предложенному является способ получения нанопористого материала для чувствительных элементов газовых сенсоров, представляющего собой композитный аэрогель, состоящий из двух компонентов, полученный путем синтеза золь-гель процессом [RU 2614146, C1, G01N 27/12, В82В 1/00, В82В 3/00, 16.03.2017], основанный на том, что, синтез композитного кремний-алюминиевого аэрогеля SiO2/Al2O3 осуществляют, используя следующие стадии:The closest in technical essence to the proposed one is a method for producing a nanoporous material for sensitive elements of gas sensors, which is a composite airgel consisting of two components obtained by synthesis by a sol-gel process [RU 2614146, C1, G01N 27/12, В82В 1/00 , B82B 3/00, 03.16.2017], based on the fact that the synthesis of a composite silicon-aluminum airgel SiO 2 / Al 2 O 3 is carried out using the following stages:
а) приготовление золя оксида алюминия, в котором в качестве алюмосодержащего компонента, предшественника оксида алюминия, используют компонент, полученный взаимодействием нанопорошка алюминия и/или алюмонитридной композиции с размером частиц от 50 до 500 нм с водой;a) preparation of an alumina sol in which, as an aluminum-containing component, an alumina precursor, a component obtained by reacting an aluminum nanopowder and / or an aluminitride composition with a particle size of from 50 to 500 nm with water is used;
б) приготовление золя второго компонента - золя оксида кремния гидролизом тетраэтоксисилана в бутаноле в растворе соляной кислоты;b) preparation of a sol of the second component - a silica sol by hydrolysis of tetraethoxysilane in butanol in a solution of hydrochloric acid;
в) последующее смешивание золя первого и второго компонентов, т.е. смешивание золя, полученного на стадии а), и золя, полученного на стадии б), при этом содержание золя оксида алюминия Al2O3 в смеси вышеупомянутых золей находится в интервале от 5 до 25 мас. %;c) subsequent mixing of the sol of the first and second components, i.e. mixing the sol obtained in stage a) and the sol obtained in stage b), while the sol content of alumina Al 2 O 3 in the mixture of the above sols is in the range from 5 to 25 wt. %;
г) гелеобразование полученной на стадии в) смеси золей проводят в интервале рН от 4 до 6;g) gelation of the mixture of sols obtained in stage c) is carried out in the pH range from 4 to 6;
д) замещение воды, находящейся в порах геля, полученного на стадии г), осуществляют путем замачивания полученного геля в растворителе, выбранном из группы, состоящей из этанола, изопропанола, бутанола;d) the substitution of water in the pores of the gel obtained in stage g) is carried out by soaking the gel obtained in a solvent selected from the group consisting of ethanol, isopropanol, butanol;
е) высушивание геля, полученного на стадии д), для удаления растворителя;f) drying the gel obtained in step e) to remove the solvent;
ж) прокаливание геля путем его нагрева при температуре от 300 до 900°С, предпочтительно от 500 до 900°С.g) calcining the gel by heating it at a temperature of from 300 to 900 ° C, preferably from 500 to 900 ° C.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкая область применения, поскольку получаемый композиционный материал с использованием известного способа обладает относительно низким уровнем чувствительности при его использовании для создания газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The disadvantage of the closest technical solution is the relatively narrow scope, since the resulting composite material using the known method has a relatively low level of sensitivity when it is used to create gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для получения композиционных материалов, используемых для создания высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.This narrows the arsenal of technical means that can be used to produce composite materials used to create highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Задача, которая решается в изобретении относительно способа, заключается в разработке относительно простого, по отношению к известным, способа, позволяющего расширить арсенал технических средств, которые могут быть использованы для получения композиционных материалов, используемых для создания высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The problem that is solved in the invention with respect to the method is to develop a relatively simple, in relation to the known, method, allowing to expand the arsenal of technical means that can be used to obtain composite materials used to create highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, используемых для получения композиционного материала, используемого для создания высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The required technical result consists in expanding the arsenal of technical means used to obtain composite material used to create highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе, согласно изобретению, золь на предварительной стадии получают путем смешивания силанов (тетраэтоксисилан, тетраметоксисилан, метилтриметоксисилан, диметилдисилазан, триметилхлорсилан и др.,) с органическим растворителем (метанол, этанол, изопропиловый спирт и др.) и водным раствором кислоты (лимонной, соляной, азотной) с дальнейшим перемешиванием в течение 10-15 минут и последующей выдержкой в течение 24 часов при комнатной температуре, после чего в полученный на предварительной стадии золь добавляют углеродный наноматериал (наночастицы, нановолокна, в том числе нанотрубки, нанопластины) при массовом соотношении углеродные нанотрубки : золь = 1:(46-2300) и перемешивают золь с добавками углеродного наноматериала в ультразвуковой ванне в течение двух часов (обработка ультразвуком проводится для улучшения распределения наноматериала в золе), после чего в смесь золя и наноматериала вводят гелирующий агент NH3 в виде аммиачной воды с перемешиванием для гелеобразования в течение 2-3 минут и далее полученный гель выдерживают 24 часа при комнатной температуре для окончательного формирования структуры композиционного материала, который подвергают старению, для чего его помещают в растворитель на 24 часа с заменой растворителя каждые 8 часов и затем производят его сверхкритическую сушку, для чего загружают в герметичную установку со сжиженным диоксидом углерода в проточном режиме, внутри которой устанавливают и поддерживают давление 120-180 атм и температуру 40-100°C в течение 6-12 часов (указанное время зависит от размеров высушиваемого образца).The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that, in the method according to the invention, a sol at a preliminary stage is obtained by mixing silanes (tetraethoxysilane, tetramethoxysilane, methyltrimethoxysilane, dimethyldisilazane, trimethylchlorosilane, etc.) with an organic solvent (methanol, ethanol, isopropyl alcohol, etc.) and an aqueous solution of acid (citric, hydrochloric, nitric) with further stirring for 10-15 minutes and subsequent exposure for 24 hours at room temperature, after which carbon nanomaterial (nanoparticles) is added to the sol obtained at the preliminary stage , nanofibers, including nanotubes, nanoplates) at a mass ratio of carbon nanotubes: sol = 1: (46-2300) and the sol is mixed with the addition of carbon nanomaterial in an ultrasonic bath for two hours (sonication is performed to improve the distribution of nanomaterial in ash) then gelir is introduced into the mixture of sol and nanomaterial the shaving agent NH 3 in the form of ammonia water with stirring for gelation for 2-3 minutes and then the resulting gel is kept for 24 hours at room temperature for the final formation of the structure of the composite material, which is aged, for which it is placed in a solvent for 24 hours with replacement solvent every 8 hours and then supercritically dried, for which it is loaded into a sealed installation with liquefied carbon dioxide in a flow mode, inside which a pressure of 120-180 atm and a temperature of 40-100 ° C are set and maintained for 6-12 hours (indicated time depends on the size of the dried sample).
Предложенный способ получения композиционного материала реализуется следующим образом.The proposed method for producing composite material is implemented as follows.
Получение композиционного материала включает следующие операции: получение золя (стадия гидролиза силана), добавление углеродного наноматериала (УНМ), диспергирование УНМ в золе, введение гелирующего агента, гелеобразование (формирование структуры композиционного материала), старение композиционного материала, сверхкритическая сушка композиционного материала.Obtaining a composite material includes the following operations: obtaining a sol (silane hydrolysis stage), adding carbon nanomaterial (CNM), dispersing a CNM in ash, introducing a gelling agent, gelation (formation of the structure of a composite material), aging of the composite material, supercritical drying of the composite material.
Используемые силаны: тетраэтоксисилан, метилтриметоксисилан, триметилхлорсилан, гексаметилдисилазан и некоторые другие кремнийорганические соединения.Silanes used: tetraethoxysilane, methyltrimethoxysilane, trimethylchlorosilane, hexamethyldisilazane and some other organosilicon compounds.
Получение золя (стадия гидролиза силана). Для реализации гидролиза силана (получение аэрогеля) на основе диоксида кремния из тетраэтоксисилана (ТЭОС) используется следующее мольное соотношение ТЭОС : органический растворитель : H2O: HCl : NH3 = 1:(4-8):(2-8):(1-10)×10-3:(1-40)×10-2. Последовательность получения золя следующая. Тетраэтоксисилан смешивают с органическим растворителем (метанол, этанол, изопропанол, этилацетат, ацетон, бутанон, гексан и пр.) и добавляют водный раствор соляной кислоты заданной концентрации. Затем полученную смесь перемешивают 10-15 минут оставляют на 24 часа при комнатной температуре.Getting sol (stage of hydrolysis of silane). To implement silane hydrolysis (obtaining an airgel) based on silicon dioxide from tetraethoxysilane (TEOS), the following molar ratio of TEOS: organic solvent: H 2 O: HCl: NH 3 = 1: (4-8) :( 2-8) :( 1-10) × 10 -3 : (1-40) × 10 -2 . The sequence for obtaining the sol is as follows. Tetraethoxysilane is mixed with an organic solvent (methanol, ethanol, isopropanol, ethyl acetate, acetone, butanone, hexane, etc.) and an aqueous solution of hydrochloric acid of a given concentration is added. Then the resulting mixture was stirred for 10-15 minutes, left for 24 hours at room temperature.
В полученный на предыдущей операции золь при перемешивании на лопастной мешалке добавляют углеродные наноматериал. Массовое соотношение УНМ : золь = 1:(46-2300). Полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке в течение 2-120 минут и вводят в нее гелирующий агент - раствор аммиака заданной концентрации, мольное соотношение ТЭОС : NH3 = 1:(1-40)×10-2. Время гелеобразования составляет 2-60 минут.In the sol obtained in the previous operation, carbon nanomaterial is added with stirring on a paddle mixer. The mass ratio of CNM: sol = 1: (46-2300). The resulting mixture is subjected to ultrasonic treatment for 2-120 minutes and a gelling agent is introduced into it - an ammonia solution of a given concentration, the molar ratio of TEOS: NH 3 = 1: (1-40) × 10 -2 . The gelation time is 2-60 minutes.
При соотношении УНМ : золь = 1:≤45 и 1:≥2301 не достигалось увеличение чувствительности изготавливаемых из полученного композиционного материала газовых сенсоров.With the ratio of CNM: sol = 1: ≤45 and 1: ≥2301, an increase in the sensitivity of gas sensors made from the obtained composite material was not achieved.
Полученный композиционный материал выдерживается в формах по крайней мере 12 часов и подвергается старению в растворителе в течение 24 часов с заменой растворителя каждые 8 часов.The resulting composite material is kept in molds for at least 12 hours and is aged in a solvent for 24 hours with a solvent change every 8 hours.
После этого композиционный материал помещается в установку для проведения сверхкритической сушки. Далее аппарат герметизируется. В аппарат подается жидкий диоксида углерода и с помощью насоса набирается давление 120-180 бар, с помощью нагревательной рубашки поддерживается температура 40-80°С. Затем создается необходимый расход диоксида углерода и заданный режим поддерживается в течение 6-12 часов. После окончания сушки перекрывается подача диоксида углерода и сбрасывается давление в аппарате. По достижению атмосферного давления реактор разгерметизируется, и полученные образцы композиционных материалов достаются из аппарата.After that, the composite material is placed in a unit for supercritical drying. Further, the apparatus is sealed. Liquid carbon dioxide is fed into the apparatus and a pressure of 120-180 bar is collected using a pump, and a temperature of 40-80 ° C is maintained using a heating jacket. Then the necessary consumption of carbon dioxide is created and the specified mode is maintained for 6-12 hours. After drying, the carbon dioxide supply is shut off and the pressure in the apparatus is relieved. Upon reaching atmospheric pressure, the reactor is depressurized, and the obtained samples of composite materials are taken out of the apparatus.
При длительности сверхкритической сушки меньше 6 часов недостаточно для получения композиционного материала необходимого качества, а при длительности более 12 часов улучшение качества композиционного материала практически уже не происходит.With a duration of supercritical drying of less than 6 hours, it is not enough to obtain a composite material of the required quality, and with a duration of more than 12 hours, an improvement in the quality of the composite material practically does not occur.
Примеры реализации операций предложенного способа.Examples of the operations of the proposed method.
Пример 1. Получение золя. ТЭОС смешивают с изопропиловым спиртом (ИПС). В полученную смесь добавляют 0.1 М водный раствор лимонной кислоты. Полученный раствор перемешивают 10-15 минут на магнитной мешалке и впоследствии выдерживают 24 часа при комнатной температуре.Example 1. Getting sol. TEOS is mixed with isopropyl alcohol (IPA). A 0.1 M citric acid aqueous solution was added to the resulting mixture. The resulting solution was stirred for 10-15 minutes on a magnetic stirrer and subsequently incubated for 24 hours at room temperature.
Для получения устойчивой нанодисперсии наноматериала в золе в полученный золь добавляют ПАВ (тритон Х-100) и перемешивают в течение 20 минут. После растворения ПАВ добавляют углеродные нанотрубки концентрацией от 0 до 10 масс %.To obtain stable nanodispersion of nanomaterial in ash, a surfactant (triton X-100) is added to the obtained sol and mixed for 20 minutes. After dissolution of the surfactant, carbon nanotubes with a concentration of from 0 to 10 mass% are added.
Для получения геля проводят конденсацию золя. Для этого в приготовленный золь добавляют заданное количество 0.5 М раствора NH3⋅H2O. После добавления раствора аммиака реакционная смесь перемешивают в течение 1-2 минут при комнатной температуре и переносят в цилиндрические формы (высота - 50 мм, диаметр - 10 мм). Гелеобразование в зависимости от скорости конденсации происходит в течение нескольких минут или нескольких часов, гель получается в виде цилиндров.To obtain a gel, the sol is condensed. To do this, a predetermined amount of 0.5 M NH 3 ⋅H 2 O solution is added to the prepared sol. After adding an ammonia solution, the reaction mixture is stirred for 1-2 minutes at room temperature and transferred into cylindrical forms (height - 50 mm, diameter - 10 mm) . Gelation, depending on the condensation rate, occurs within a few minutes or several hours, the gel is obtained in the form of cylinders.
Старение геля. После выдержки в течение 24 часов сформированный гель помещают в ИПС на сутки для отмывки от не вступивших в реакцию веществ. Замену ИПС производят четыре раза каждые 8 часов с четырехкратным избытком по отношению к объему геля.Gel aging. After exposure for 24 hours, the formed gel is placed in IPA for 24 hours to wash off unreacted substances. IPA is replaced four times every 8 hours with a four-fold excess in relation to the volume of the gel.
Сушка геля. Сушку гелей проводят в сверхкритическом диоксиде углерода. Полученные гели сушат при давлении 120 бар, температуре 40°С и заданном расходе диоксида углерода в течение 6 часов с получением образцов композиционного материала «аэрогель/углеродные нанотрубки».Gel drying. The gels are dried in supercritical carbon dioxide. The gels obtained are dried at a pressure of 120 bar, a temperature of 40 ° C and a predetermined consumption of carbon dioxide for 6 hours to obtain samples of the composite material “airgel / carbon nanotubes”.
Пример 2.Example 2
Отличается от примера 1 тем, что на стадии получения устойчивой нанодисперсии наноматериала в золе после добавления УНТ проводится обработка ультразвуком в течение 2 часов.It differs from example 1 in that at the stage of obtaining stable nanodispersion of nanomaterial in ash after the addition of CNTs, ultrasonic treatment is performed for 2 hours.
Пример 3.Example 3
Пример 3 отличается от примера 1 тем, что на стадии получения устойчивой нанодисперсии наноматериала в золе используются углеродные наночастицы.Example 3 differs from example 1 in that carbon nanoparticles are used in the stage of obtaining stable nanodispersion of the nanomaterial in the ash.
Пример 4.Example 4
Пример 4 отличается от примера 1 тем, что на стадии получения устойчивой нанодисперсии наноматериала в золе используются углеродные нанопластиныExample 4 differs from example 1 in that carbon nanoplates are used at the stage of obtaining stable nanodispersion of nanomaterial in ash
Проведение испытания полученного материала позволяют сделать вывод, что композиционный материал «аэрогель/углеродные наноматериал» обладает удельной электрической проводимостью от 3.17⋅10-6 до 3⋅10-3 См/см, удельной площадью поверхности от 450 до 967 м2/г, объемом пор от 1.79 до 3.63 см3/г, высокой чувствительностью при воздействии оксидов азота, аммиака, паров этанола, устойчиво проявляющейся при концентрации не менее 0.1 об %.Testing the obtained material allows us to conclude that the composite material “airgel / carbon nanomaterial” has a specific electrical conductivity of 3.17⋅10 -6 to 3⋅10 -3 S / cm, specific surface area of 450 to 967 m 2 / g, volume then from 1.79 to 3.63 cm 3 / g, high sensitivity when exposed to nitrogen oxides, ammonia, ethanol vapor, which is stably manifested at a concentration of not less than 0.1 vol%.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств, используемых для получения композиционного материала, используемого для создания высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.Thus, by improving the known method, the required technical result is achieved, which consists in expanding the arsenal of technical means used to obtain composite material used to create highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Известен также композиционный материал, используемый для изготовления газового сенсора с наноструктурой [RU 2532428, C1, G01N 27/12, В82В 3/00, 10.11.2014], содержащий корпус, установленную в нем гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, образованную на подложке из полупроводника, газочувствительный слой и контактные площадки к нему, сформированные в гетерогенной структуре, выводы корпуса и контактные проводники, соединяющие контактные площадки с выводами корпуса, газочувствительный слой изготовлен в виде тонкой нитевидной наноструктуры на основе золя ортокремниевой кислоты, содержащего гидроксид олова, на подложке из кремния, на поверхности которой методом локального анодного окисления сформирована область шириной 1 мкм, глубиной 200 нм, с помощью центрифуги и последующим отжигом, который приготовлен в два этапа, на первом этапе смешивался тетраэтоксисилан и этиловый спирт, а на втором этапе в полученный раствор вводились дистиллированная вода, соляная кислота (HCl) и двухводный хлорид олова (SnCl2⋅2H2O), причем тетраэтоксисилан и этиловый спирт в соотношении 1:1,046, дистиллированная вода в соотношении 1:0,323, соляная кислота (HCl) в соотношении 1:0,05, двухводный хлорид олова (SnCl2⋅2H2O) в соотношении 1:1,597.Also known is a composite material used for the manufacture of a gas sensor with a nanostructure [RU 2532428, C1, G01N 27/12, B82B 3/00, 11/10/2014], comprising a housing, a heterogeneous structure made of thin films of materials formed on it, formed on a substrate of a semiconductor, a gas-sensitive layer and contact pads formed in a heterogeneous structure, the leads of the case and contact conductors connecting the pads to the leads of the case, the gas-sensitive layer is made in the form of a thin whisker nanostructure based on sol of orthosilicic acid containing tin hydroxide on a silicon substrate , on the surface of which a region 1 μm wide and 200 nm deep was formed by local anodic oxidation using a centrifuge and subsequent annealing, which was prepared in two stages, tetraethoxysilane and ethyl alcohol were mixed in the first stage, and distilled water was introduced into the resulting solution hydrochloric acid (HCl) and two tin chloride (SnCl 2 ⋅ 2H 2 O), with tetraethoxysilane and ethyl alcohol in a ratio of 1: 1,046, distilled water in a ratio of 1: 0,323, hydrochloric acid (HCl) in a ratio of 1: 0,05, two-water tin chloride (SnCl 2 ⋅ 2H 2 O) in a ratio of 1: 1.597.
Недостатком материала являются относительно низкие эксплуатационные характеристики, в частности, те, которые обеспечивают чувствительность изготовленных из этого материла сенсоров.The disadvantage of the material is the relatively low performance, in particular, those that provide the sensitivity of the sensors made from this material.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является нанопористый материал для чувствительных элементов газовых сенсоров [RU 2614146, C1, G01N 27/12, В82В 1/00, В82В 3/00, 16.03.2017], представляющий собой композитный аэрогель состава SiO2/Al2O3, при этом, он образован, преимущественно, сферическими частицами оксида кремния размером от 10 до 20 нм и частицами оксида алюминия в форме нанолистов с планарным размером от 200 до 300 нм.The closest in technical essence to the proposed one is a nanoporous material for sensitive elements of gas sensors [RU 2614146, C1, G01N 27/12, В82В 1/00, В82В 3/00, 03/16/2017], which is a composite airgel of the composition SiO 2 / Al 2 O 3 , in this case, it is formed mainly by spherical particles of silicon oxide from 10 to 20 nm in size and particles of aluminum oxide in the form of nanosheets with a planar size from 200 to 300 nm.
Особенностью материала является то, что, он имеет поры размером не менее 5 нм, удельную поверхность не менее 400 м2/г и характеризуется, по меньшей мере, следующими свойствами: дзета-потенциалом от -20 до -26 мВ и поверхностной плотностью заряда не менее 10-4 Кл/м2, предпочтительно 10-3 до 10-2 Кл/м2.A feature of the material is that it has pores of at least 5 nm in size, a specific surface area of at least 400 m 2 / g and is characterized by at least the following properties: zeta potential from -20 to -26 mV and a surface charge density of less than 10 -4 C / m 2 , preferably 10 -3 to 10 -2 C / m 2 .
Недостатком материала являются относительно низкие эксплуатационные характеристики, в частности, те, которые обеспечивают чувствительность изготовленных из этого материла сенсоров.The disadvantage of the material is the relatively low performance, in particular, those that provide the sensitivity of the sensors made from this material.
Задачей, которая решается в изобретения относительно материала, является разработка композиционного материала с более высокими эксплуатационными характеристиками, которые обеспечивают повышенную чувствительность изготовленных из этого материла сенсоров и одновременно обеспечивают расширение арсенала технических средств, используемых для изготовления высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The problem that is solved in the invention with respect to the material is the development of a composite material with higher performance characteristics that provide increased sensitivity of sensors made from this material and at the same time expand the arsenal of technical means used for the manufacture of highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapor.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, используемых в качестве композиционных материалов, используемых для создания высокочувствительных газовых сенсоров, предназначенных для детектирования широкого спектра газов и паров.The required technical result is to expand the arsenal of technical means used as composite materials used to create highly sensitive gas sensors designed to detect a wide range of gases and vapors.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, нанопористый материал для чувствительных элементов газовых датчиков представляет собой кремниевый аэрогель с углеродными наноматериалами состава SiO2/C, характеризующийся, по меньшей мере, следующими свойствами: удельной электрической проводимостью от 3.17⋅10-6 до 3⋅10-3 См/см, удельной площадью поверхности от 450 до 967 м2/г, объемом пор от 1.79 до 3.63 см3/г. В качестве углеродных наноматериалов могут выступать: наночастицы, нановолокна, в том числе нанотрубки, нанопластины. Композиционный материал образован диоксидом кремния и углеродным наноматериалом с содержанием 90-99.99 масс % и 0.01-10 масс %, соответственно.The problem is solved, and the required technical result is achieved in that the nanoporous material for the sensitive elements of gas sensors is a silicon airgel with carbon nanomaterials of the composition SiO 2 / C, characterized by at least the following properties: specific conductivity from 3.17 3.110 - 6 to 3⋅10 -3 S / cm, specific surface area from 450 to 967 m 2 / g, pore volume from 1.79 to 3.63 cm 3 / g. Carbon nanomaterials may include: nanoparticles, nanofibers, including nanotubes, nanoplates. The composite material is formed by silicon dioxide and carbon nanomaterial with a content of 90-99.99 mass% and 0.01-10 mass%, respectively.
Как показано выше, проведение испытания полученного материала позволяют сделать вывод, что композиционный материал «аэрогель/углеродные наноматериал» обладает удельной электрической проводимостью от 3.17⋅10-6 до 3⋅10-3 См/см, удельной площадью поверхности от 450 до 967 м2/г, объемом пор от 1.79 до 3.63 см3/г, высокой чувствительностью при воздействии оксидов азота, аммиака, паров этанола, устойчиво проявляющейся при концентрации не менее 0.1 об %.As shown above, testing the obtained material allows us to conclude that the composite material “airgel / carbon nanomaterial” has a specific electrical conductivity of 3.17⋅10 -6 to 3⋅10 -3 S / cm, specific surface area of 450 to 967 m 2 / g, pore volume from 1.79 to 3.63 cm 3 / g, high sensitivity when exposed to nitrogen oxides, ammonia, ethanol vapor, stably manifested at a concentration of not less than 0.1 vol%.
Этим самым достигается требуемый технический результат относительно материала.Thereby, the required technical result is achieved with respect to the material.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019123151A RU2725031C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019123151A RU2725031C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2725031C1 true RU2725031C1 (en) | 2020-06-29 |
Family
ID=71510086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019123151A RU2725031C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2725031C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813981C1 (en) * | 2023-06-27 | 2024-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method of processing carbon nanomaterials |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130085290A1 (en) * | 2002-08-16 | 2013-04-04 | Aerogel Technologies, Llc | Methods and compositions for preparing silica aerogels |
| US9360509B2 (en) * | 2006-11-17 | 2016-06-07 | Trustees Of Boston College | Nanoscale sensors with nanoporous material |
| RU2614146C1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-03-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of producing nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and nanoporous material obtained using said method |
-
2019
- 2019-07-23 RU RU2019123151A patent/RU2725031C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130085290A1 (en) * | 2002-08-16 | 2013-04-04 | Aerogel Technologies, Llc | Methods and compositions for preparing silica aerogels |
| US9360509B2 (en) * | 2006-11-17 | 2016-06-07 | Trustees Of Boston College | Nanoscale sensors with nanoporous material |
| RU2614146C1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-03-23 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of producing nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and nanoporous material obtained using said method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Худеев И.И., Цыганков П.Ю., Смирнов О.А., Иванов С.И., Меньшутина Н.В. "Исследование электрических свойств композиционного материала "Аэрогель на основе SiO2 - многослойные углеродные нанотрубки", Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXXI. N 6. стр. 118-120, 2017. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2813981C1 (en) * | 2023-06-27 | 2024-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method of processing carbon nanomaterials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Self-assembled graphene platelet–glucose oxidase nanostructures for glucose biosensing | |
| EP3342754B1 (en) | Method for manufacturing silica aerogel | |
| Demilecamps et al. | Cellulose–silica composite aerogels from “one-pot” synthesis | |
| Hu et al. | One-step synthesis of graphene–AuNPs by HMTA and the electrocatalytical application for O2 and H2O2 | |
| EP3357864A1 (en) | Method for preparing hydrophobic silica aerogel and hydrophobic silica aerogel prepared therefrom | |
| EP3345867B1 (en) | Method for manufacturing silica aerogel | |
| EP3693425A1 (en) | Coating solution, method for producing coating film, and coating film | |
| EP3214041B1 (en) | Method for preparing hydrophobic silica aerogel and hydrophobic silica aerogel prepared therefrom | |
| EP3693424A1 (en) | Coating liquid, production method for coating film, and coating film | |
| CN111215007B (en) | Method for simply preparing blocky hydrophobic alumina composite aerogel and prepared blocky hydrophobic alumina composite aerogel | |
| Yang et al. | Well-defined gold nanoparticle@ N-doped porous carbon prepared from metal nanoparticle@ metal–organic frameworks for electrochemical sensing of hydrazine | |
| Yusof et al. | Concentration-dependent properties of amorphous carbon nanotube/silica composites via the sol–gel technique | |
| CN112456961B (en) | Composite aerogel heat insulation material and preparation method and application thereof | |
| EP3385225B1 (en) | Method for manufacturing silica aerogel | |
| Liu et al. | Tin disulfide–graphene oxide-β-cyclodextrin mediated electro-oxidation of melatonin hormone: an efficient platform for electrochemical sensing | |
| Tajik et al. | A simple and sensitive approach for the electrochemical determination of amaranth by a Pd/GO nanomaterial-modified screen-printed electrode | |
| RU2725031C1 (en) | Nanoporous material for sensitive elements of gas sensors and method of production thereof | |
| TWI654026B (en) | Redox catalyst, electrode material, electrode, membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell | |
| Dement’eva et al. | Mesostructured SiO 2-based nanocontainers synthesized on a functional template: Capacity and rate of unloading | |
| Pandikumar et al. | Aminosilicate sol-gel embedded core-shell (TiO 2-Au) nps nanomaterials modified electrode for the electrochemical detection of nitric oxide | |
| WO2019076870A1 (en) | Method for controlling the morphology of mesoporous silica particles | |
| Blasques et al. | Synthesis and characterization of a new ceramic nanomaterial SiO2/NPsSm2O3/C-graphite for the development of electrochemical sensors | |
| Zhang et al. | Polysaccharide-assisted incorporation of multiwalled carbon nanotubes into sol–gel silica matrix for electrochemical sensing | |
| CN108862245B (en) | Large-aperture foam silicon-reduced graphene oxide-based electrochemical modification material and preparation method and application thereof | |
| Dement’eva et al. | The first example of silica nanoshell synthesis on vesicles of a cationic glycerolipid—Potential antitumor drug |