Kemikere forbedrer brintsensorer

En gruppe videnskabsmænd fra Siberian Federal University (SFU, Krasnoyarsk, Rusland) og Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry (NIIC, Novosibirsk, Rusland) har kombineret de nyttige egenskaber af metalphthalocyaniner og palladiummembraner for at skabe aktive lag i brintdetektorer. Denne operation øger sensorernes følsomhed betydeligt. Undersøgelsen er rapporteret i tidsskrifterne Farvestoffer og pigmenter og International Journal of Hydrogen Energy .

Højfølsomme sensorer til detektering af gasser er meget vigtige for miljøet, da de giver videnskabsfolk mulighed for at foretage en kvalitativ og kvantitativ vurdering af indholdet af forskellige gasser i luften (f.eks. farlig kulilte eller ammoniak). De opnåede data hjælper med at bekæmpe forurening. På den anden side, der spiller sensorer en vigtig rolle i medicin. Der er en sygdom kaldet malabsorption - dem, der er diagnosticeret med det, udånder mere brint. Hvis vi laver højfølsomme sensorer, der er i stand til at detektere en lille stigning i koncentrationen af ​​brint, denne sygdom kan diagnosticeres med succes.

Detektorerne diskuteret i papiret har en tre-lags struktur. I bunden er et substrat (som også er en ledende elektrode), hvorpå en film af phthalocyaniner (heterocykliske forbindelser af mørkeblå farve) påføres, og endelig, et palladiumlag over denne film. Det er ikke nemt at fremstille sådan en sensor. At gøre dette, det er nødvendigt at opnå en tynd film af phthalocyaniner, og læg derefter et lag palladium ovenpå. For at få dette metal, der anvendes forstadier (organiske forbindelser, der indeholder palladiumatomer). Efter opvarmning, de nedbrydes, organiske fragmenter fordamper, og metalatomer danner et lag med den nødvendige struktur og tykkelse.

Sensoren fungerer således:Brint trænger let ind i palladium, og, virker på overfladen af ​​phthalocyaninfilmen, ændrer dens ledningsevne. "Tynde phthalocyaninfilm er selv halvledere. Og det er ud fra ændringen i ledningsevnen, at vi kan vurdere, om brint "klæber" eller ej, og i hvilken koncentration det er indeholdt i luften, sagde Pavel Krasnov, Ph.D. i fysik og matematik, seniorforsker ved Institut for Nanoteknologi, Spektroskopi og kvantekemi af SFU.

Forfatterne opnåede og undersøgte krystalstrukturen af ​​tynde film af palladiumphthalocyaniner, samt den måde, hvorpå dens struktur ændres af fluoratomer (der fungerer som substituenter). Phthalocyanin er et fladt molekyle med brintatomer ved dets kanter. Tidligere, forfatterne af papiret viste, at indførelsen af ​​fluoratomer i phthalocyaninstrukturen øger den sensoriske respons (følsomhedsindikator) af disse forbindelser, da de interagerer med gasmolekyler. Fluor er et mere elektronegativt grundstof sammenlignet med brint, som et resultat af hvilket det er i stand til at "trække" flere elektroner fra andre phthalocyanin-atomer, inklusive metalatomet placeret i midten. En stigning i den positive ladning af et metalatom fremmer stærkere binding af gasmolekyler, da en sådan binding overvejende opstår fra donor-acceptor-mekanismen. Et gasmolekyle er en elektrondonor (giver elektroner), og et metalatom er deres acceptor (hæfter dem).

Denne hypotese blev bekræftet af forskere fra SFU ved hjælp af kvantekemiske beregninger, og deres kolleger fra NIIC som et resultat af den direkte udførelse af eksperimentelt arbejde, der til sidst tillod prototyping af sensorer.

Nu, forskerne planlægger at fortsætte projektet. De vil gerne teste muligheden for at bruge forskellige substrater - til at "plante" phthalocyaniner på kulstofstrukturer - dvs. grafen eller kulstof nanorør. En sådan udskiftning vil give en stærkere respons og gøre sensoren mere følsom over for brint. Den anden lovende forskningslinje er at gøre palladiumlaget tyndere (også for at forbedre sensorens respons).