3 сентября 2024
Коллектив сотрудников химического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с учеными из Ариэльского университета (Израиль) и сотрудниками НТЛ-Прибор и НТЦ ИГД разработали энергоэффективные датчики обнаружения водорода. Уменьшение размеров активной зоны и использование импульсного режима питания позволили снизить энергопотребление в 50 раз по сравнению с другими коммерческими и лабораторными аналогами. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование поддержано грантом Минобрнауки 075-15-2021-1353, результаты опубликованы в журнале Sensors and Actuators: B. Chemical (https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.135270).
Последние несколько лет в разных странах мира активно растет интерес к водородному топливу. Главные преимущества водорода как энергоносителя – высокая энергоемкость, доступность и отсутствие вредных выбросов в атмосферу. Многие считают, что переход на водородное топливо поможет решить глобальную экологическую проблему углеродного следа. Однако высокая воспламеняемость и взрывоопасность водорода ограничивают возможности его внедрения в экономику. Даже небольшое количество водорода в воздухе (от 4 объёмных %) может привести к взрыву. Кроме того, газ способен проникать сквозь твердые поверхности, и не каждая металлическая оболочка защищает от утечки. Поэтому необходимо оснащать промышленные предприятия датчиками водорода и других горючих газов с высокой чувствительностью.
Среди многочисленных технологий детектирования газообразного водорода широкое распространение в атомной энергетике и нефтехимической промышленности получили сенсоры термокаталитического типа. «Стандартный каталитический датчик состоит из рабочего и сравнительного нагревательных элементов в виде катушки из платиновой проволоки, окруженной пористой керамикой. Рабочий элемент содержит на поверхности катализатор окисления водорода на основе палладия и платины. При каталитическом окислении газа выделяется значительное количество энергии, проволока нагревается, и ее сопротивление увеличивается. Увеличение сопротивления рабочего элемента преобразуется в разность потенциалов – это и есть отклик датчика», – объясняет один из авторов работы, аспирант факультета наук о материалах Иван Калинин. – «Эти приборы имеют много достоинств, однако высоких значений сенсорного отклика в таких системах удается достичь лишь при температурах выше 400 °C. Для нагрева активной зоны сенсора до таких температур необходимо значительное количество электроэнергии».
Высокий уровень энергопотребления – критический показатель для производителей газоаналитического оборудования, так как не позволяет создавать стационарные приборы с питанием от аккумуляторных батарей. Поэтому задача исследователей – не только улучшать метрологические характеристики газовых датчиков, но и находить решения в области энергоэффективности. Использование современных технологий, широко используемых в микроэлектронике, таких как фотолитография и магнетронное напыление позволило химикам МГУ значительно уменьшить размеры активной зоны сенсора: «Размер активной зоны в нашем устройстве составляет всего лишь 150х150 микрон в латеральных направлениях и 30 микрон в толщину. В современных коммерческих и лабораторных датчиках она в 3-4 раза больше. Миниатюрный элемент быстрее нагревается, поэтому мы можем использовать импульсный режим питания – в этом случае энергопотребление газового сенсора снижается в 50 раз по сравнению с аналогами. Вместе с тем мы сохранили показатели чувствительности и стабильности на уровне лучших приборов из тех, что сейчас есть на рынке». – рассказывает автор работы, в.н.с. химического факультета, к.х.н. Кирилл Напольский.
Авторы планируют продолжить работу по улучшению характеристик разработанных газовых датчиков. Кроме того, ученые планируют расширить область применения датчика – уже сейчас они тестируют устройство на определение метана – основного компонента природного газа. Это позволит в будущем оснастить доступными и долговечными датчиками жителей многоквартирных домов и снизить количество происшествий, связанных с утечкой газа.