Ученые ищут способ отслеживания концентраций парниковых газов

Проект «Нанопористые слои на основе модифицированных углеродных нанотрубок и графена для высокоселективного детектирования молекул целевого газа в промышленности и экологическом мониторинге» кандидата технических наук, научного сотрудника Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» Алексея Емельянова поддержан грантом Российского научного фонда и должен быть завершен в 2023 году. Ученый предлагает определять химически опасные газы и выявлять продукты реакции в газовой смеси в малых концентрациях с помощью применения нанопористых слоев на основе графена и углеродных нанотрубок, модифицированных различными специфичными к исследуемым газам органическими соединениями. Этим же способом предлагается добиться эффективного разделения этих веществ.

Актуальность проекта

Определение химически опасных газов и продуктов реакции в газовой смеси в малых концентрациях, а также их эффективное разделение является до сих пор нерешенной задачей. Данные проблемы чаще всего возникают в процессе обнаружения и разделения парниковых газов (CH₄ – метан, CO₂ –углекислый газ), при синтезе чистых газов (NH₃ – аммиак, CO – угарный газ) и анализе продуктов реакций (NO₂ – диоксид азота, H₂S – сероводород) на производстве. Актуальность задачи по отслеживанию концентрации парниковых газов особенно подчеркивается в целях ООН в области устойчивого развития, а именно целью 13 «Принятие срочных мер по борьбе с изменением климата и его последствиями». В новом проекте кандидата технических наук Алексея Емельянова , поддержанном Российским научным фондом (грант № 21-79-00180), данную проблему планируется решать с помощью применения нанопористых слоев на основе графена и углеродных нанотрубок, модифицированных различными специфичными к исследуемым газам органическими соединениями.

На графике: создание нанопористого графена с помощью фемтосекундного лазерного воздействия

Для обеспечения детектирования и транспорта газа поры в материале должны соответсвовать размерам молекул газа (~ 2 нм), в то же время, данные поры должны селективно пропускать исследуемые аналиты (целевые молекулы газа). В мире данная задача реализуется методами создания нанопористых структур на основе различных материалов, в том числе графена и прочих двумерных материалов, диэлектрических наночастиц и композитных наноструктур на их основе. Такие структуры обладают избирательностью к транспорту (пропусканию) молекул газа лишь за счет размера пор. Главным недостатком такого подхода является низкая концентрация пор на единицу поверхности с целью предотвращения разрушения материала. Таким образом, снижается проницаемость мембраны и ставится под сомнение возможность формирования реальных устройств на основе подобных эффектов и материалов.

Вариант решения проблемы

Впервые научный коллектив под руководством Алексея Емельянова предложил решить проблему за счет синтеза двух методов модификации поверхности: использования размерного фактора и функционализации поверхности, то есть присоединения химических соединений, чувствительных к целевым молекулам газа. «В текущем проекте предлагается использовать сенсорные структуры на основе графена, сеток углеродных нанотрубок и их композитов. В исследуемых образцах будут сформированы поры с размерами менее 20 нм, что технологически проще по сравнению с предложенными в других работах (менее 5 нм), – комментирует Алексей. – Контролируемое уменьшение эффективного сечения пор вплоть до размеров менее 2 нм будет достигнуто с помощью функционализации поверхности химическими группами и органическими молекулами, которые способны эффективно взаимодействовать с целевыми молекулами газов». Формирование нанопористых слоев будет реализовано с помощью контролируемой модификации графена фемтосекундным лазером и фокусированным ионным пучком, а также однородного нанесения сеток углеродных нанотрубок и функционализированного графена. Выбор наиболее перспективных функциональных групп произведут на основе квантово-химических первопринципных расчетов при осаждении молекул целевого газа.

На рисунке: нанопористая мембрана для избирательного пропускания молекул газа

Сроки и документация

Реализация проекта и получение первых пористых сенсорных структур запланирована на 2021-2023 годы. В команду проекта помимо руководителя войдет аспирант 2-го года НОЦ ЗМНТ МИЭТ Никита Некрасов. Также планируется проведение экспериментов на базе других научных лабораторий. Полученные в работе результаты позволят сформулировать основополагающие принципы создания активных сенсорных систем, физические и химические свойства которых могут варьироваться в широких пределах за счет модификации наноуглеродных материалов различными функциональными группами и молекулами.