Химики сделали сверхчувствительный алкосенсор без драгметаллов
В Сеульском национальном университете разработан высокочувствительный сенсор этанола на основе высокоэнтропийного оксида пяти металлов — что важно, не драгоценных. Состав датчика, а самое главное, механизмы его работы на уровне электронной структуры приведены в журнале Advanced Science.
В большинстве своем газовые сенсоры устроены до известной степени похоже — это оксид металла, как правило, драгоценного, сопротивление которого меняется в результате реакции с анализируемым веществом. Как видно, все очень просто, чем и обусловлено широчайшее применение таких датчиков — от контроля качества воздуха в помещениях до мониторинга состояния продуктов питания и промышленных объектов.
У оксида одного металла, пусть даже и благородного, ограниченное число поверхностных центров, доступных для газовых реакций, из-за чего трудно одновременно повысить их способность обнаруживать малые количества газа и отличать одно вещество от другого. Авторы новой разработки соединили в одном оксиде сразу пять металлов, причем далеко не самых редких — индий, олово, железо, цинк и вольфрам. Полученное соединение (InSnFeZnW)Oₓ — по сути, твердый раствор пяти оксидов — назвали высокоэнтропийным. В экспериментах его сравнивали с оксидными сенсорами низкой и средней энтропии.
Результаты показали, что при воздействии 50 ppm (частей на миллион по объему) этанола при 300 °C отклик — то есть изменение сопротивления — высокоэнтропийного оксидного сенсора составил 5135%. Низкоэнтропийный оксид показал отклик 408%, а среднеэнтропийный — 654%, то есть отклик высокоэнтропийного оксида оказался примерно в 12,6 и 7,9 раза выше соответственно.
Время отклика сенсора на такую концентрацию составило 3 секунды, а время восстановления после удаления этанола — 73 секунды. Теоретический же предел чувствительности, по расчетам, может начинаться с 4,8 ppb (частей на миллиард, млрд⁻¹).
Чтобы объяснить механизмы работы оксидного сенсора и убедиться, что все металлы заняли свои места в кристаллической решетке, его изучали методами рентгеновской дифракции, рамановской спектроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и другими. Как оказалось, высокоэнтропийный оксид содержит больше адсорбированного кислорода и больше кислородных вакансий, чем низкоэнтропийный — что способствует реакции с этанолом.
Сенсор весьма стабилен — сохраняет изначальные параметры на протяжении шести месяцев; пригоден к многократному срабатыванию даже при относительной влажности 90%. Правда, оптимальная рабочая температура у него 300 °C, поэтому дальнейшие эксперименты будут направлены на ее снижение. Кроме того, исследователи хотят улучшить селективность и повысить устойчивость к изменениям влажности.
«В дальнейшем мы планируем исследовать разнообразные комбинации элементов, чтобы создавать материалы, избирательно реагирующие не только на этанол, но и на другие вещества, и на этой основе расширять исследования в направлении сенсоров, способных обнаруживать разные газы», — добавил профессор Чан Хо Вон, руководивший работой.
