Спосіб розпізнавання газів

Реферат: Спосіб розпізнавання газів включає фотозбудження нанопорошкових матеріалів, проведення аналізу його люмінесцентного свічення. Для підвищення чутливості і селективності аналізу реєструють та аналізують фотолюмінісцентне свічення від комірок матриці нанопорошкових матеріалів в аналізових газах. UA 112955 U (12) UA 112955 U UA 112955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області нанотехнології газосенсорних матеріалів і може бути використана для створення напівпровідникових газових сенсорів з високою чутливістю і селективністю. Відомий метод реєстрації газів за допомогою ZnO діаметром 30 нм, що знаходяться на підкладці з електричними контактами на протилежних кінцях нанониток (патент США №8030185, 2011). На нанонитки наносять острівкові плівки каталітичних металів, що суттєво підвищує величину чутливості сигналу. Однак метод обмежений в селективності до складних газів. Відомий спосіб створення сенсорного матеріалу (патент США №20120097917, 2012), у якому як активний елемент використовують нанонитки ZnO або SnO2 з нанесеними кластерами благородних металів Аu, Pt, Pd. Для підвищення селективності пропонується аналізувати час відклику сенсора поряд з величиною електропровідності. Однак, і тут детектування і розпізнавання суміші газів не є можливим. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю є спосіб реєстрації газів з допомогою люмінесценції металоокисних нанопорошкових матеріалів шляхом аналізу їх радикало-рекомбінаційного свічення, де за спектральним характером свічення та його інтенсивністю судять про рід газу та його концентрацію. Однак, використання радикалорекомбінаційного свічення при його низькому квантовому виході та одноканальній реєстрації сигналу обмежують його можливості. Задачею корисної моделі є створення нанопорошкових матеріалів (ZnO, ТiO2, SnO2, Іn2О3, WO3), в т.ч. поверхнево легованих домішками (Ag, Аu, Pt, Ni, Сu, Cr, Sn тощо), лазерномодифікованих та структур типу "ядро-оболонка", що володіють різним люмінесцентним відгуком при ультрафіолетовому збудженні на газові компоненти з реєстрацією їх люмінесцентного свічення в газовому середовищі. Характер люмінесцентного свічення комірок нанопорошкових матеріалів визначається структурою їх поверхнево-електронних та власнодефектних станів. Поставлена задача вирішується тим, що у способі розпізнавання газів, що включає фотозбудження нанопорошкових матеріалів, проведення аналізу його люмінесцентного свічення, згідно з корисною моделлю, для підвищення чутливості і селективності аналізу реєструють та аналізують фотолюмінісцентне свічення від комірок матриці нанопорошкових матеріалів в аналізових газах. Оскільки процеси адсорбції газів пов'язані з електронними переходами на поверхні матеріалу, то це призводить до різноманітних ефектів в люмінесцентному свіченні. Саме ці процеси особливо яскраво виражені в нанопорошкових (d=40-60 нм) матеріалах, які мають велику ефективну адсорбційну поверхню, що призводить до суттєвих змін електронних поверхневих станів та, відповідно, люмінесцентного свічення. Характерною особливістю спектрів люмінесценції матеріалу в газах є те, що крім основних смуг свічення, що належать даному люмінофору, спостерігаються додаткові смуги, які визначаються зміною електронних поверхневих станів нанопорошку в газовій атмосфері. Додаткові смуги зумовлені, з одного боку, поверхневими центрами випромінювальної рекомбінації, а, з другого, - люмінесценцією на адсорбованій поверхні матеріалу в заданій газовій атмосфері. Спектральне положення таких смуг люмінесценції визначається природою газу, що дає змогу ідентифікувати газове середовище. В свою чергу шляхом поверхневого легування матеріалу домішками, зокрема благородних металів (Аu, Ag, Pt, Pd) можна підвищувати чутливість аналізу до відповідних газових компонент та цілеспрямовано реалізовувати каталітичні процеси на поверхні нанопорошку. Особливий інтерес для модифікації спектрів свічення комірок викликає селективна дія імпульсного лазерного випромінювання в області прозорості нанопорошкових люмінофорів, оскільки у цьому випадку основну роль в процесах поглинання лазерного випромінювання відіграють домішки, дефекти та їх асоціати. Таким чином, з'являється можливість безпосереднього впливу на центри, що визначають як люмінесцентні та світлотехнічні характеристики матеріалу, так і його адсорбційну здатність. Вибрані нами для комірок матеріали на основі окисних матеріалів (ZnO, SnO2, ТiO2, Іn2О3, WO3 тощо) включають найбільш перспективні для поставленої мети сполуки, що мають добрі світлотехнічні характеристики, стійкість і стабільність параметрів, дешевизну та володіють високою адсорбційною здатністю до переважної більшості газів. Реєстрація свічення здійснюється за допомогою ПЗС-матриці з наступним цифровим аналізом одержаного сигналу, що забезпечує визначення якісного і кількісного складів газових компонент в аналізованому середовищі. Інтенсивність фотолюмінісцентного свічення є пропорційною концентрації газової компоненти в аналізованому середовищі, що дозволяє, відповідно, оцінювати її величину. 1 UA 112955 U 5 10 Запропонований нами спосіб дає змогу виявляти, розпізнавати та визначати концентрацію окремих газових компонент в сумішах газів з високою чутливістю (до 1 ppb), селективністю та швидкодією (2-3 с при виході на 90-95 % сигналу). ПРИКЛАД 1 Реєструють і аналізують суміш газів NO2, CO2, NH3 шляхом радикало-рекомбінаційної люмінесценції нанопорошкового матеріалу ZnO в процесі високочастотного збудження. Шляхом аналізу спектру свічення та його інтенсивності було зареєстровано наявність в системі суміші газів кисню, азоту та водню без можливості ідентифікації хімічного складу молекул та їх концентрації. ПРИКЛАД 2 Реєструють і аналізують суміш газів NO2, СО2, NH3 шляхом аналізу фотолюмінісцентного свічення від комірок матриці (3×3) нанопорошкових матеріалів з наступним цифровим аналізом одержаного сигналу. Проведений аналіз дав змогу ідентифікувати наявність в системі газів NO2, CO2, NH3 та встановити їхні тиски (0,5; 1 і 0,3 ррm, відповідно). 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Спосіб розпізнавання газів, що включає фотозбудження нанопорошкових матеріалів, проведення аналізу його люмінесцентного свічення, який відрізняється тим, що для підвищення чутливості і селективності аналізу реєструють та аналізують фотолюмінісцентне свічення від комірок матриці нанопорошкових матеріалів в аналізових газах. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2