Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

НОВЫЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Кировская И.А. Земцов А.Е.
Изучаемая система GaAs-CdS представляет интерес как объект поиска новых адсорбентов, катализаторов и материалов современной техники, прежде всего сенсорной электроники. Поэтому выбор адсорбатов - оксида углерода (II) и аммиака определялся не только особенностями их электронной природы, но и возможной ролью как составляющих важнейших технологических процессов, газовых выбросов автотранспорта, промышленными  предприятиями различного профиля, выдыхаемого воздуха и, таким образом, в связи с решением медико-экологических задач.

Адсорбентами являлись порошки  (Sуд. = 0,5-14 м2/г) и пленки (d = 0,1 - 0,3 мкм) GaAs, CdS, их твердых растворов замещения (GaAs)х (CdS)1-х, полученных методом изотермической диффузии бинарных компонентов в вакуумированных запаянных кварцевых ампулах при Т = 1100 К [1]. Пленки готовили дискретным напылением (Тконд. = 298 К, Р = 1,33∙10-3 Па) на электродные площадки пьезокварцевых резонаторов АТ-среза и прозрачные в ИК-области монокристаллы KBr с последующим отжигом в парах сырьевого материала при соответствующих режимах [2].

Толщину пленок определяли интерферометрически и по изменению частоты пьезокварцевого резонатора, кристаллическую структуру пленок и порошков - по результатам рентгенографического анализа, которые использовали и для аттестации твердых растворов, наряду с результатами спектроскопических (КР-спектры) и масс-спектрометрических (оценка стехиометрического состава) исследований.

Адсорбцию изучали методами пьезокварцевого микровзвешивания [3] (чувствительность 1,23∙10-11 г/(см2 Гц), интервал температур 243-400 К и давлений 1,3-10,8 Па), термодесорбции, которую осуществляли в режиме программированного нагрева в интервале температур 293-653 К с привлечением масс-спектрометрической регистрации продуктов десорбции, ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетов. Для проведения последних использовали ряд полуэмпирических методов и неэмпирический метод Хартри-Фока в базисе STO-3G. Квантово-химические расчеты выполняли с использованием компьютерной программы HyperChem v.6.03 на компьютере  Pentium. Адсорбция характеризовалась энергией адсорбции, которая принимала разные значения в зависимости от расстояния между адсорбатом и адсорбентом, направленности адсорбционной связи, типа атомов, вступающих в адсорбционное взаимодействие и их положения относительно друг друга.

Величины адсорбции СО и NH3 на всех компонентах системы GaAs-CdS в интервале температур 243-400 К и давлений 1,3-10,8 Па составляют α∙10-6 и α(10-4 - 10-3) моль/м2, т.е. f   на 2-3 порядка.

Основные опытные зависимости адсорбции αр =f(T),  αT =f(P), αT =(t), являясь сходными для изучения адсорбентов, позволяют предварительно делать вывод о протекании физической адсорбции при температурах ниже    293 К и преимущественно активированной при более высоких температурах. В пользу этого говорят также результаты анализа равновесных и кинетических изотерм, расчетов теплот (qa) и энергий активации адсорбции (Еа).

Обращает на себя внимание наличие на кривых f  одного восходящего участка, что может свидетельствовать о проявлении преимущественно одной формы химической активированной адсорбции. В связи с этим представляют интерес результаты термодесорбционных исследований.

Спектры термодесорбции, содержащие один пик (Тмакс = 473 К), подтверждают преимущественное проявление одной формы адсорбции в интервале температур 293-400 К. Согласно кинетическому анализу адсорбционных систем с использованием метода компьютерной оптимизации, десорбция в таких условиях протекает по I порядку, свидетельствуя о ее недиссоциативном характере. Значения кинетических параметров десорбции указывают на относительно прочное молекулярное взаимодействие.

Сравнительные величины десорбции газов позволяют говорить, как и при прямых адсорбционных измерениях, о большей адсорбируемости NH3, нежели СО, а низкие значения частотных факторов о замедленности десорбционных процессов, характерных для необратимой химической адсорбции.

С учетом кислотно-основных свойств поверхности адсорбентов, а также электронного строения молекул адсорбатов можно предположить, что адсорбция СО и NH3, по аналогии с адсорбцией СО2 [4], протекает по донорно-акцепторному механизму с участием преимущественно поверхностных атомов А (с более выраженными металлическими свойствами), вакансий атомов В и молекул адсорбатов в качестве доноров электронов (акцепторы - поверхностные атомы со свободными d- и р- орбиталями).

В пользу донорно-акцепторного механизма адсорбции СО, NH3 и образования соответствующих поверхностных соединений свидетельствуют ИК-спектры систем  «СО или NH3 - адсорбент». Так, полосы 2080 и 1630 -    1650 см-1 , возникающие в ИК-спектрах после экспонирования адсорбентов в СО соответствуют соединениям типа карбонилов линейной структуры с донорно-акцепторной связью. В ИК-спектрах адсорбированных молекул NH3 их донорно-акцепторной связи с электроно-акцепторными центрами (координационно-ненасыщенными атомами) отвечают полосы 1620-1660 см-1.

Квантово-химические расчеты для исследованных адсорбционных систем дают значения энергии адсорбции, равные 25-60 кДж/моль и равновесные расстояния адсорбционных взаимодействий  - 0,4-0,6 нм, что согласуется с размерами адсорбированных молекул и межатомными расстояниями в бинарных соединениях и твердых растворах. Результаты квантово-химических расчетов и компьютерного моделирования адсорбции подтверждают экспериментальные значения энергии активации адсорбции и ее химическую природу.

Полученные результаты позволяют говорить о возможности использования данного метода не только для компьютерного моделирования поверхности  GaAs, CdS, (GaAs)х (CdS)1-х и ее адсорбционного взаимодействия с молекулами газов, но и для прогнозирования оптимального состава и активности новых адсорбентов.

При сопоставлении бинарных и четверных компонентов (твердых растворов) системы GaAs - CdS как адсорбентов по отношению к выбранным адсорбатам (СО, NH3) были обнаружены как сходство в их поведении, так и специфические особенности твердых растворов. Последние проявляются в наличии экстремумов на диаграммах «адсорбционная характеристика - состав».

В соответствии с этими диаграммами, максимумы адсорбционной активности по отношению к СО и NH3 приходятся на твердый раствор, содержащий 5 мол % GaAs (при этом f). Согласно нашим работам [5], наличие экстремумов на диаграммах «адсорбционная характеристика - состав» связано с наибольшей дефектностью структуры и координационной ненасыщенностью поверхностных атомов.

Найденные с помощью описанных диаграмм наиболее активные по отношению к СО и NH3 компоненты изученной системы использованы в качестве материалов для сенсоров-датчиков на микропримеси СО, NH3 (экологического и медицинского  назначения).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Твердые растворы.  Томск: Изд-во  ТГУ, 1984.  160 с.
  2. Тонкие пленки антимонида индия. Кишинев: Штиинца, 1989.  162 с.
  3. Кировская И.А. Адсорбционные процессы. Иркутск: Изд-во ИГУ, 1995.  300 с.
  4. Кировская И.А. Поверхностные свойства алмазоподобных полупроводников. Адсорбция газов.  Иркутск: Изд-во ИГУ, 1984.  186 с.
  5. Кировская И.А. Поверхностные явления. Иркутск: Изд-во ОмГТУ, 2001. 175 с.

Библиографическая ссылка

Кировская И.А., Земцов А.Е. НОВЫЕ ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2007. – № 4. – С. 88-90;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=24887 (дата обращения: 14.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074