ИСТИНА

Создание планарных термокаталитических сенсоров, обеспечивающих баланс между высокой чувствительностью и долговременной стабильностью сенсорного отклика.

Thermocatalytic sensors of combustible gases, including methane and hydrogen, are essential for ensuring safety in living areas equipped with gas appliances, in the chemical industry, as well as in the mining and fuel-energy sectors due to the simplicity of their design, low cost, reliability, and wide range of operating temperatures and pressures, the possibility of use at high humidity and dustiness. Reducing energy consumption compared to currently used pellistor-type thermocatalytic sensors combined with maintaining long-term stability of the sensor response is an urgent task. Resolving this problem makes it possible to expand the application areas for thermocatalytic sensors, e.g. by including them in “smart” mobile devices and integrating into sensor networks. In the proposed design of planar sensors, porous anodic aluminium oxide simultaneously acts as a substrate for a thin-film microheater and a carrier for a catalyst for the oxidation of combustible gas. The use of scalable and automated approaches (anodizing, photolithography, magnetron sputtering, inkjet printing) to obtain planar sensor sensing elements makes them more technologically advanced than pellistors, which use many manual operations in their manufacture. In recent years, our scientific group has developed reproducible techniques for producing thin-film platinum heaters that provide local heating of the active zone to a temperature of 500 °C, which is sufficient for the functioning of thermocatalytic sensors. However, the stability and magnitude of the sensor signal depend not only on the microheater, but also on the activity of the catalyst and the stability of its properties. The aim of the proposed project is a rational design of catalytic materials and operation regimes for planar thermocatalytic sensors of combustible gases, aimed at significantly increasing the long-term stability (more than 1 year) of the analytical signal during their operation. As in the case of classic thermocatalytic pellistor-type sensors, planar sensors will be based on the Pd/Al2O3 system. To increase stability and activity, this system will be modified with platinum group metals (Pt, Ir), Co and Ni oxides, phosphate ions, lanthanide ions or oxides (La, Ce). The prospects of such approaches have been demonstrated for bulk catalysts, but have not been tested in relation to thermocatalytic sensors, which represents a scientific novelty. The study of catalysts in planar sensors or even pellistors and the optimization of their properties faced a challenge due to the small size of the active zone containing the catalyst combined with difficulty to apply physicochemical methods for analyzing their structure and composition. The advantage of our approach is the synthesis of a large number of planar microheaters with reproducible characteristics followed by the application and identification of the most promising catalyst compositions. This will allow optimizing the catalyst composition that ensures high signal stability of planar thermocatalytic sensors (at time intervals of more than 1 year) and their resistance to catalytic poisons. The influence of the analyte concentration and humidity on the sensor signal will be determined; cross-sensitivity to various flammable gases will be studied; operating modes of planar thermocatalytic sensors will be developed to ensure a balance between high sensitivity and long-term stability of the sensor signal. Achieving the project's goal will make it possible to create Russia's first production of planar thermocatalytic sensors using microelectronic industry tools. The scalability of the proposed approaches and the great interest from domestic companies for planar sensors with a highly stable signal will allow to implement scientific developments in the shortest possible time and fill this free and highly-demanded niche.

Ожидаемые результаты выполнения проекта обладают фундаментальной научной новизной и практической значимостью. К ним относятся: 1. Оптимизированная с помощью численного моделирования геометрия микронагревателя, обеспечивающая однородность прогрева активной зоны планарного сенсора. 2. Оптимизированные условия фотолитографического структурирования пористых плёнок анодного оксида алюминия и металлических слоёв на их поверхности, позволяющие формировать идентичные микронагреватели с низким энергопотреблением и долговременной стабильностью характеристик при температуре активной зоны 500 С. 3. Состав катализатора, представляющего собой каталитически активные Pd-содержащие наночастицы, модифицированные различными элементами (Pt, Ir, Co, Ni), на нанокристаллическом оксидном носителе (Al2O3, CeO2), обеспечивающий стабильный аналитический сигнал сенсора на горючие газы (метан, водород) в течение длительного времени (более 1 года). 4. Новые режимы работы планарных термокаталитических сенсоров, обеспечивающие баланс между высокой чувствительностью и долговременной стабильностью сенсорного отклика. 5. Политермический режим питания термокаталитического сенсора, пригодный для оценки содержания различных горючих газов, одновременно присутствующих в атмосфере. 6. Пути увеличения устойчивости выбранных катализаторов к действию каталитических ядов (кремний- и серосодержащие летучие соединения).

Коллектив заявителей проекта обладает многолетним опытом получения пористых плёнок анодного оксида алюминия (АОА) с различной морфологией и функциональным назначением. В научных работах по данной тематике, опубликованных в ведущих мировых и российских журналах, описано влияние различных параметров на процесс анодирования вентильных металлов. На основе обнаруженных закономерностей предложены механизмы формирования и упорядочения пористых структур при анодном окислении алюминия [1-6]. Авторами заявки разработаны оригинальные методики количественной аттестации морфологии пористой структуры с использованием методов электронной микроскопии [2-4, 7, 8]. В частности, для автоматизированной обработки изображений растровой электронной микроскопии были созданы новые алгоритмы и компьютерные программы [9]. В качестве альтернативного подхода к анализу структуры АОА предложены методики проведения экспериментов по малоугловой дифракции рентгеновского излучения и способы обработки получаемых данных для количественного определения параметров позиционного, ориентационного и продольного порядка [7, 8, 10, 11]. В частности, данный метод анализа позволяет получить уникальную информацию об однородности структуры пористых плёнок по толщине [10-12]. На основе пористых плёнок анодного оксида алюминия, авторами создаются функциональные материалы различного назначения: фотонные кристаллы [13-19], гиперболические метаматериалы [20-26], элементы микроэлектроники [27-32], высокоселективные мембраны [12, 33], а также планарные газовые сенсоры и микронагреватели [34-39].