.jpg)
Ученые из Государственной ключевой лаборатории акустики Китайской академии наук создали новый высокочувствительный датчик углекислого газа, работающий при комнатной температуре. Такое устройство может существенно упростить контроль качества воздуха как в жилых и офисных помещениях, так и на промышленных объектах или в системах, где важно своевременно обнаруживать возможные утечки CO2.
В основе датчика лежит технология поверхностно-акустических волн. На пьезоэлектрической подложке распространяется акустическая волна, а чувствительный слой, нанесенный сверху, реагирует на молекулы газа. Когда CO2 попадает на поверхность этого слоя, его электрические свойства меняются, а волна мгновенно чувствует эти изменения. Именно это преобразуется в сигнал датчика. Основная проблема таких устройств заключается в том, чтобы добиться достаточно сильного отклика и высокой скорости реакции при обычной температуре окружающей среды.
Чтобы решить эту задачу, ученые разработали двухслойное покрытие из оксида олова (SnO2) и оксида меди (CuO), нанесенное на подложку из ниобата лития методом магнетронного напыления. По отдельности оба материала давно известны в данной отрасли, но их сочетание приводит к принципиально новому эффекту. SnO2 относится к материалам n-типа, CuO относится к p-типу, а на границе между ними происходит перераспределение заряда. Таким образом, возникает область с пониженной концентрацией электронов, которая особенно быстро реагирует на появление CO2.
Углекислый газ по природе очень инертен, поэтому большинство датчиков слабо откликаются на него без нагрева до высоких температур. В новой конструкции ключевую роль играют кислородные вакансии и активные кислородные формы на поверхности CuO. Они легко связывают молекулы CO2, образуя карбонатные группы. При этом часть электронов возвращается в материал, что меняет проводимость пленки и заметно влияет на параметры акустической волны. Химическое взаимодействие превращается в четкий измеряемый сигнал.
Квантово-химические расчеты полностью совпадают с экспериментальными данными. Углекислый газ значительно прочнее удерживается именно на границе двух материалов (SnO2-CuO), чем на каждом из них по отдельности.
Благодаря такой структуре чувствительность прибора достигает 11,35 мВ на каждый процент CO2, что более чем в четыре раза выше, чем у чистого CuO, и в десять раз выше, чем у чистого SnO2. Диапазон работы охватывает значения от 0,1% до 4%, что важно для мониторинга воздуха в помещениях и обнаружения утечек в системах улавливания и хранения углекислого газа. Время отклика составляет около 9 секунд, а восстановление требует около 29 секунд. Датчик устойчив к влажности и сохраняет стабильность сигнала по меньшей мере в течение месяца, что делает его перспективной технологией для нового поколения компактных систем мониторинга CO2.
