CC BY
3
СТАТЬИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32743/UniChem.2023.114.12.16303
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА АММИАКА
Абдурахманов Илхом Эргашбоевич
д-р хим. наук, доцент, зав. кафедрой неорганической химии, Самаркандского государственного университета, Республика Узбекистан, г. Самарканд
Кучкаров Отабек Aртикович
канд. хим. наук кафедры химии Узбекско-Финский педагогический институт, Республика Узбекистан, г. Самарканд
Эрданов Фазлиддин Фахритдинович
ассистент кафедры химии , Узбекско-Финский педагогический институт, Республика Узбекистан, г. Самарканд E-mail: o-kuchkarov2018@mail. ru
SENSITIVITY AND SELECTIVITY OF A SEMICONDUCTOR AMMONIA SENSOR
Ilkhom Abdurakhmanov
Doctor of Chemical Sciences Associate Professor, Manager Department of Inorganic Chemistry, Samarkand State University, Republic of Uzbekistan, Samarkand
Otabek Kuchkarov
Candidate of Chemical Sciences, Department of Chemistry, Uzbek-Finnish Pedagogical Institute, Republic of Uzbekistan, Samarkand
Fazliddin Erdanov
Assistant, Department of Chemistry, Uzbek-Finnish Pedagogical Institute, Republic of Uzbekistan, Samarkand
Библиографическое описание: Абдурахманов И.Э., Кучкаров Ü.A., Эрданов Ф.Ф. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СЕНСОРА АММИАКА // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2023. 12(114). URL: https://7universum. com/ru/nature/archive/item/163 03
№ 12(114)_химия и биология_декабрь, 2023 г.
АННОТАЦИЯ
В результаты проведенных экспериментов разработан состав газочувствительного материала на основе полианилина (ПАНИ) и оксида металла вольфрама и титана, который обеспечивает определение аммиака в условиях комнатной температуры. Независимо от состава газочувствительного материала сигнал сенсора стабилизируется в течение 20-25 секунд от начало эксперимента. Установлено, что наиболее высокой чувствительностью к аммиаку обладает сенсор на основе nAH^75%WO3: 25%TiO2. Зависимость поверхностной проводимости сенсоров от температуры имеет немонотонный характер и максимальная чувствительность сенсора наблюдается при температуре сенсора 25,0-35,0 °С.
ABSTRACT
As a result of the experiments, a composition of gas-sensitive material based on polyaniline (PANI) and tungsten and titanium metal oxide was developed, which ensures the determination of ammonia at room temperature. Regardless of the composition of the gas-sensitive material, the sensor signal stabilizes within 20-25 seconds from the start of the experiment. It was found that the sensor based on PANI + 75% WO3: 25% TiO2 has the highest sensitivity to ammonia. The dependence of the surface conductivity of sensors on temperature is non-monotonic and the maximum sensitivity of the sensor is observed at a sensor temperature of 25.0-35.0 °C.
Ключевые слова: аммиак, сенсор, полупроводник, оксид вольфрама, оксид титана, чувствительность, селективность.
Keywords: Ammonia, sensor, semiconductor, tungsten oxide, titanium oxide, sensitivity, selectivity.
Введение. Аммиак (КН3), один из опасных газов, выделяемый большинством химических производств и сельскохозяйственных предприятий [1]. Следовательно, разработка сенсора аммиака с высокими показателями обнаружения газа, включая высокую чувствительность и селективность при комнатной температуре, и низкий предел обнаружения, имеет важное практическое значение [2]. В последние несколько десятилетий были разработаны сенсоры на основе оксидов полупроводникового типа [4; 12]. Однако используемые сенсоры имеют недостаток: для их работы требуются высокие температуры. Сенсоры на основе проводящих полимеров обладают многими улучшенными характеристиками по сравнению с сенсорами, обычно основанными на оксидах металлов, и их способность работать при комнатной температуре является одной из важнейших [7].
Многие проводящие полимеры, такие как полианилин (ПАНИ), политиофен, полипиррол, уже давно (более 30 лет) используются в газовых сенсорах. Полианилин - это полимер с выдающейся электронной проводимостью и хорошей реакцией на молекулы при комнатной температуре. Полианилин с уникальной структурой, которая позволяет ему существовать в пяти степенях окисления, вызывает особый интерес из-за простоты его синтеза и универсальности в качестве сенсора [5]. Ни одна из степеней окисления ПАНИ не является проводящей, но протонированные формы умеренно окисленных степеней, особенно эмеральдин, являются проводящими. В последние несколько десятилетий разработаны сенсоры горючих газов таких, как ОТ, H2S, CH4, NHз и др. на основе полупроводниковых оксидов: SnO2, CuO, 1п203, Fe2O3, WOз, 0^3, GeO2, CoзO4, CdO, NiO,, Mn2Oз, ZnO , V2O5, ТЮ2 [3; 10;11]. Однако указанные сенсоры, имеет общей недостаток: работают при высоких температурах (300-500 °С), что увеличивает энергопотребление и сокращает срок службы сенсора. Из них SnO2, ТЮ2, WOз более перспективны и мало
изучены [6; 8; 9]. Для устранения вышеприведенных ограничений в данной работе нами разработаны сенсоры на основе проводящего полимера-полианилина и металлооксидных полупроводников ТЮ2, WO3, которые сохраняют не только преимущества высокой чувствительности металлооксидного полупроводника, но также обладают низкой температурой обнаружения и превосходной селективностью проводящего полимера.
Методика эксперимента. Нами изучена возможность создания чувствительных, селективных сенсоров для контроля содержания аммиака в условиях комнатной температуры. С этой целью исследованы возможности применения плёнок на основе полианилина и оксидов металлов вольфрама, олова, титана в качестве газочувствительного материала сенсора аммиака. Методики синтеза газочувствительных материалов приведены в [6]. В ходе экспериментов были тщательно изучены и произведено сравнение газочувствительных свойств изготовленных композитных сенсоров: ПАНИ+SnO2, ПАНИ+ТЮ2, ПАНИ+WOз, ПАНИ+WOз+SnO2, ПАНИ+WOз+TiO2, ПАНИ + SnO2+TiO2 Сопоставлены и проанализированы чувствительность и динамика отклик/восстановление каждого сенсора при определении аммиака. В результаты подобран состав пленок для селективных сенсоров аммиака. Эксперименты проводили при комнатной температуре с использованием стандартной смеси с содержанием определяемого компонента 200 мг/м3
Отбор и предварительное испытание полупроводниковых сенсоров аммиака состоит из двух этапов: проверки сенсора и определение его основных метрологических характеристик. Проверка сенсора производится с целью достижения стабильности вольтамперных характеристик сенсора и предварительных испытаний.
1 и 2 - баллоны со стандартным газом; 3 и 4 - запорные краны; 5 и 6 - контрольные манометры; 7 и 8 - стабилизаторы давления; 9 и 10 - регулируемые дроссели; 11- смеситель; 12 - генератор-разбавитель, типа 623 ГР 03; 13 - реометр (илиротаметр); 14 - генератор чистого воздуха-925 ГЧ 02; 15 - пульт для контроля сигнала сенсора и комплект полупроводниковых сенсоров; 16 - милливольтметр; 17 - блок источников калиброванного напряжения БП-45; 18 - компьютер.
Рисунок 1. Схема установки для испытания полупроводникового сенсора
Результаты и их обсуждание. Определение чувствительности сенсора (зависимости сигнала сенсора от концентраций аммиака) проводилось на специально разработанном измерительном стенде. Измерение газочувствительности при заданной оптимальной температуре заключается в измерении температуры сенсора и его сопротивления в воздушной атмосфере и в присутствии газа с различной концентрацией аммиака. Концентрация КИэ устанавливается с помощью генератора-разбавителя, построенного по принципу динамического разбавления газовых потоков. Стандартная смесь разбавляется до необходимой концентрации путем установления соответствующих потоков газа (эталонной газовой смеси) и воздуха.
Зависимость полезного аналитического сигнала сенсора от концентрации аммиака устанавливалась в широком интервале его концентраций пропусканием через разработанный сенсор газовой смеси аммиака и воздуха. В проведенных экспериментах каждая точка проверки по диапазону измерения характеризовалась шестью значениями: три - при прямом и три - при обратном циклах измерений. Аналитический сигнал сенсоров контролировался вольтметром В7-35 после установления постоянного значения (не менее 1 мин., после подачи в прибор стандартной смеси). Результаты изучения зависимости сигнала от концентрации аммиака в смеси приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Зависимости аналитического сигнала ППС- от концентрации МИз в смеси (Р=0,95, п=5)
№ п/п Содержание Аммиака в смеси, мг/м3 Состав газочувстивительной плёнки
ПАНИ+90%WOз: 15%ТЮ2 ПАНИ+85%WOз: 20%ТЮ2 ПАНИ+75%WOз: 25%ТЮ2 ПАНИ+70%WOз: 30%ТЮ2
Сигнал сенсора, ©газ/с0, относит. единеца
1 1,5 0,125 0,275 0,450 0,575
3 6,0 0,325 0,600 1,250 2,025
5 180 0,475 0,875 2,150 2,850
8 36,0 0,725 1,425 3,775 5,400
11 54,0 1,025 1,975 4,775 7,021
13 66,0 1,250 2,125 5,500 8,150
15 75,0 1,525 2,525 6,300 9,275
Как следует из приведенных данных, в широком интервале (1,5-75,0 мг/м3) зависимость сигнала полупроводникового сенсора ППС-КН3 от концентрации аммиака в ПГС имеет прямолинейный характер. Предложен способ повышения чувствительности полупроводникового сенсора аммиака, основанный на использовании газочувствительного материала на основе ПАНИ+75(^03:25%ТЮ2. Установлено, что в диапазоне концентраций аммиака 1,5-75,0 мг/м3 зависимость сигнала от количества аммиака имеет прямолинейный характер. Важнейшей характери -стикой газоаналитических приборов является селективность определения компонента анализируемой газовой смеси. В разработанных полупроводниковых сенсорах селективность определения обеспечена подбором оптимальных значений температур и состава газочувствительного материала сенсора. Изучение селективности определения аммиака разработанными сенсорами проводили с использованием
Результаты проверки селе!
аттестованных газовых смесей по требованию ГОСТа, предъявляемого к газоаналитическим приборам для замкнутых экологических систем и объектов химической промышленности. Селективность работы полупроводникового сенсора аммиака определяли в присутствии водорода, оксида углерода и метана при температуре 25 °С с применением стандартных газовых смесей. На вход ППС подавали смесь № 1 (аммиак + воздух) в течение 5 мин., фиксировали показания цифровым вольтметром, затем подавали смесь № 2 (аммиак + водород + воздух) и через 5 мин. повторно фиксировали показания цифрового вольтметра. Аналогичным образом были получены сигналы для смесей № 3 (аммиак + оксид углерода + воздух) и № 4 (аммиак + метан + воздух). Число параллельных измерений для каждой стандартной газовой смеси равно 5. Средние результаты, полученные при установлении селективности ППС-МН3, представлены в таблице 2.
Таблица 2.
гги ППС- МНз (п=5, Р=0,95)
Состав газовой смеси, мг/м3 Найдено аммиака, ррт
Сенсор №1 Сенсор №2 Сенсор №3
х ± Ах 8г102 х ± Ах 8г102 х ± Ах 8г102
NHз-50±воздух (ост) 50±0,3 1,7 51±0,5 1,5 51±0,3 1,4
КНз-50±Н2-60±возд(ост) 52±0,2 1,4 52±0,4 1,4 52±0,3 1,6
КНз-50±ГО-80±воздух(ост) 49±0,3 1,6 51±0,3 1,5 52±0,4 1,6
КНз-50±СЩ-60±воздух(ост) 50±0,4 1,2 52±0,4 1,1 52±0,5 1,4
Как следует из полученных данных, наличие в анализируемой смеси оксида углерода (до 80 ррт), водорода (до 60 ррт) и метана (до 60 ррт) не влияет на значение выходного сигнала сенсора аммиака. Из приведённых данных (табл. 2) следует, что разработанный сенсор в изученном интервале концентраций позволяет селективно определять NHз. Погрешность определения МН3 за счет неизмеряемых компонентов не превышает 1,5 %.
Заключение. Таким образом, разработан вк;сокочувстивительный сенсор, обеспечивающий селективность определения аммиака в многокомпонентных газовоздушных смесях, в которых одновременно с аммиаком содержатся водород, оксид углерода и метан (природный метановый газ). К таким смесям относятся газообразные выбросы промышленных предприятий по производству атмосферных воздух шахт, животноводческих комплексов, канали-
зационных труб, колодцев и др. Во всех случаях значение относительного стандартного отклонения ^г) за счет неизмеряемых компонентов не превышает 0,05. Изменение расхода газовой смеси в исследуемом интервале (5 -50 л/ч) не оказывает существенного
влияния на выходной сигнал сенсора, который также не зависит от расположения в пространстве и углов наклона, что позволяет отнести разработанные сенсоры (согласно Г0СТ-13320-82) к типу независимых.
Список литературы:
1. Аммиак, получение, свойства, химические реакции [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://вторая-индустриализация.рф/ammiak-poluchenie-svoystva-himicheskie-reaktsii/ (дата обращения: 09.04.2022).
2. Аммиак. реакции [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://chem.ru/ammiak.html. (дата обращения: 09.04.2022).
3. Власов Ю.Г., Ермоленко Ю.В., Легин Е., Рудницкая А.В., Колодников В.В., Химические сенсоры и их системы // Журнал аналитической химии. - Т. 65. Вып. 9. - 2010. - С. 880-898.
4. Раимкулова Ч.А., Аронбаев С.Д., Аронбаев Д.М. К проблеме определения аммиака в выдыхаемом воздухе // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2020. 1(79). URL: https://7universum. com/ru/nature/ar-chive/item/11153 (дата обращения: 06.01.2021).
5. Сажин С.Г., Соборовер Э.И., Токарев С.В. Сенсорные методы контроля аммиака (обзор) // Дефектоскопия. -2003. - № 10. - С.78-96.
6. Софиан М. Канан, Усама М. Эль-Кадри, Имад А. Абу-Юсеф, Полупроводниковые датчики на основе оксидов металлов для селективного обнаружения газовых загрязнителей // Датчики 2009. - № 9(10). - С. 8158-8196.
7. Хуа Бай и Гаокюань Ши. Датчики газа на основе проводящих полимеров // Датчики. - 2007. - № 7. - С. 267-307.
8. Шапошник А.В., Звягин А.А., Корчагина С.Н. Хемосорбционные процессы при определении аммиака полупроводниковым сенсором с участием микрореактора // Сорбционные и хроматографические процессы. - 2012. - Т. 12. - Вып. 2. - С.261-266.
9. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. - М.: Техносфера, 2005. - С. 336.
10. Abdurakhmanov Ergashboy, Abdurakhmanov Barat Mamatmuradovich and Kholboev Orif Nurmatovich. Development of an Automatic Analyzer for Monitoring Hydrogen Sulfide // International Journal of Psychosocial Rehabilitation. -Vol. 24. - Is. 05. - 2020. - Р. 6312-6319. DOI: 10.37200/IJPR/V24I5/PR2020613
11. Abdurakhmanov I.E, Begmatov R.Kh., Abdurakhmanov E., Kholboev O.N. and Kholmirzaev F.F. Metrological parameters of semiconductor sensors of hydrogen sulfide SCS-H2S with membrane oatings based on tungsten and copper oxides // IOP Conferences Series: Materials Science and Engineering. - Vol. 862. - 2020. 062084. Р. 1-6. doi:10.1088/1757-899X/862/6/062084
12. Kuchkarov O.A., Abdurakhmonov I.E., Begimkulov Zh.N., Mamirzaev M.A., Khamraeva D.A. and Abdurakhmanov E. Investigation of particular parameters of a semiconductor ammonia gas analyzer //IOP Conferences Series: Materials Science and Engineering. - Vol. 862. - 2020. - P. 62-101. doi:10.1088/1757-899X/862/6/062101
