Проекты

Методы получения новых материалов на основе пероксидных соединений олова

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия»

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1553 имени В.И. Вернадского
Предметы: Химия
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Наноматериалы на основе соединений олова находят широкое применение в качестве электродных материалов литий- и натрий-ионных аккумуляторов, солнечных батарей, жидкокристаллических дисплеев, «умных окон».

Соединения олова широко применяются в различных сферах. В частности, производят сенсоры на основе плёнок диоксида олова, что является объектом данной работы. Необходимо изменить методику получения диоксида олова для улучшения ключевых параметров: уменьшения времени отклика и восстановления,  повышения чувствительности, селективности и стабильности сенсоров.

Цель

Получение наноматериалов на основе диоксида олова из пероксостанната натрия для применения в качестве активных компонентов газовых сенсоров и исследование их газочувствительных характеристик.

Задачи

  1. Синтез сферических частиц пероксостанната натрия (NaSnOOX).
  2. Синтез частиц диоксида олова (SnO2).
  3. Приготовление газовых сенсоров.
  4. Исследование характеристик газовых сенсоров (время отклика, чувствительность по отношению к различным газам: CO, CH4, H2).

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Колбы, воронки, стаканы, банки, бюретка
  • Фильтры, обратный холодильник
  • Центрифуга
  • Ультразвуковой диспергатор
  • Приборы для проведения следующих анализов: рентгенофазовый анализ, сканирующая электронная микроскопия, элементный анализ

Описание

Автор самостоятельно (под наблюдением научного руководителя) провёл многостадийный синтез частиц диоксида олова пероксидным методом.

Синтез гидроксостанната натрия, Na2Sn(OH)6. Гидроксостаннат натрия был получен осаждением из раствора гидроксостаната калия и гидроксида натрия, после отфильтрован и высушен.

Синтез частиц пероксостанната натрия, NaхSn(OOH)y. Подготовлены водно-пероксидные растворы гидроксостанната натрия с содержанием пероксида водорода 3, 7 и 13%. Растворы выдерживали в течение 12 часов и из них выпадали осадки сферических аморфных частиц пероксостанната натрия, которые во всех случаях имели правильную форму. Наибольший выход наблюдался для образца из 7% масс H2O2, который был выбран для дальнейшего синтеза. Частицы отфильтровали на стеклянном фильтре, промыли этанолом и высушили в вакуум-эксикаторе.

Синтез частиц станната натрия, NaSnOx-153 Автор 5 часов прокаливал частицы пероксостанната в диметилформамиде с обратным холодильником на масляной бане при температуре 153°C. В результате был удалён активный кислород, и частицы закристаллизовались в виде Na-допированного диоксида олова (станната натрия).

Синтез частиц диоксида олова, SnO2. С помощью 0,1 молярных соляной и ортофосфорной кислот (в двух различных случаях) вымывались ионы натрия и были получены кристаллические частицы диоксида олова со структурой ядро-оболочка.

Результаты синтезов каждый раз отдавались на сканирующую электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ и элементный анализ. Автор и научный руководитель анализировали результаты. Были определены структуры и состав частиц, а также кристаллическая структура полученных диоксида олова и станната натрия.

Частицы диоксида олова наносились на сенсорную пластину, исследовались газочувствительные характеристики пропусканием последовательно газов концентрациями 50 и 100 ppm.

Исследование газочувствительных характеристик осуществляли с использованием газов CO, H2 и CH4. В результате мы получили, что отклик сенсора, для получения которого использовалась ортофосфорная кислота, имеет значительно больший отклик, чем сенсор, для получения которого использовалась соляная кислота, и при этом он стабилизируется за меньшее время.

Таким образом, гипотеза о возможном негативном влиянии хлорид-ионов, содержащихся на поверхности частиц диоксида олова, полученных действием соляной кислоты, подтвердилась.

Сенсоры на основе этих частиц имели худшие отклик и время восстановления.

Результаты работы/выводы

Установлено, что добавление пероксида водорода (3–15%) к водному раствору гидроксостанната натрия приводит к формированию и осаждению сферических частиц пероксостанната натрия. Полученные частицы пероксостанната могут быть использованы в качестве исходных для получения частиц диоксида олова со структурой «ядро – оболочка», которые перспективны для применения в качестве активного материала газовых сенсоров. Показано, что примесь хлорида на поверхности частиц диоксида олова ухудшает характеристики газовых сенсоров, и для синтеза диоксида олова эффективнее использовать ортофосфорную кислоту.

Перспективы использования результатов работы

Полученные сенсоры могут быть использованы в различных сферах для детектирования токсичных газов, содержащихся в атмосфере даже в малых количествах.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ИОНХ РАН имени Н.С. Курнакова

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Отчётная научно-практическая конференция для школьников «Неорганическая химия и материаловедение» – победитель.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания)

«Инженерный класс в московской школе» – проект, позволяющий получать знания в предпрофессиональной области и делать интересные и наукоёмкие работы. На конференции «Инженеры будущего» можно не только представить свою работу, но и послушать работы других школьников»