Проекты

Методы получения новых материалов на основе пероксидных соединений олова

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Прикладная химия. Материаловедение»

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

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»