Методы получения новых материалов на основе пероксидных соединений олова

Актуальность

Соединения олова широко применяются в различных сферах. В частности, производятся сенсоры на основе пленок диоксида олова, который, в свою очередь, является объектом данной работы. Необходимо изменить методику получения диоксида олова для улучшения ключевых параметров: уменьшения времени отклика и восстановления, а также повышения чувствительности, селективности и стабильности сенсоров.

Цель

Получение наноматериалов на основе диоксида олова для применения в качестве активных компонентов газовых сенсоров.

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
• Фильтры
• Обратный холодильник
• Бюретка
• Центрифуга
• Ультразвуковой диспергатор
• Приборы для проведения следующих анализов:
• рентгенофазовый анализ;
• сканирующая электронная микроскопия;
• элементный анализ     

Описание

Автор самостоятельно (под надзором научного руководителя) провел многостадийный синтез частиц диоксида олова пероксидным методом. Гидроксостаннат натрия был получен осаждением из раствора гидроксостанната калия и гидроксида натрия, затем отфильтрован и высушен.

После этого автор готовил водно-пероксидные растворы гидроксостанната натрия с содержанием пероксида водорода 3, 7 и 13 %.

В растворах выпадали осадки сферических аморфных частиц пероксостанната натрия.

Автор определил содержание в них активного кислорода перманганатометрическим титрованием и 5 часов прокаливал частицы пероксостанната в диметилформамиде с обратным холодильником на масляной бане при температуре 153 ℃.

В результате был удален активный кислород, и частицы закристаллизовались в виде Na-допированного диоксида олова (станната натрия). С помощью 0,1 М соляной и ортофосфорной кислот (в двух различных случаях) вымывались ионы натрия, и далее 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 и исследовались газочувствительные характеристики пропусканием последовательно газов концентрациями 50 и 100 ppm. Исследовались угарный газ, метан и водород.

Автором и его научным руководителем было выявлено негативное влияние содержащихся на поверхности частиц диоксида олова хлорид-ионов, полученных действием соляной кислоты. Сенсоры на основе этих частиц имели худший отклик и худшее 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 деятельности для детектирования токсичных газов, содержащихся в атмосфере в малых количествах.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ИОНХ РАН имени Н.С. Курнакова

Награды/достижения

Победитель Отчетной научно-практической конференции для школьников «Неорганическая химия и материаловедение», проводимой в рамках проекта «Академический (научно-технический) класс в московской школе».

Мнение автора

«Академический класс в московской школе» – проект, позволяющий получать знания в предпрофессиональной области и делать интересные и наукоемкие работы, такие как представленную мною. На конференции «Наука для жизни» можно не только доложить свою работу, но и послушать работы других школьников»