Марта Маисовна Авилова, кандидат химических наук, старший преподаватель
кафедра безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды
344003
пл. Гагарина, 1
Ростов-на-Дону
ResearcherID:
ScopusID:
Marta M. Avilova, Cand. Sci. (Chem.), Senior Lecturer
Life Safety and Environmental Protection Department
344003
1, Gagarin sq.
Rostov-on-Don
ResearcherID:
ScopusID:
Наталья Валерьевна Золотарева, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры
кафедра аналитической и физической химии
414056
ул. Татищева, 20 А
Астрахань
ResearcherID:
AuthorID:
Natalya V. Zolotareva, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department
Analytical and Physical Chemistry Department
414056
20A, Tatishcheva str.
Astrakhan
ResearcherID:
AuthorID:
Введение. Получение высокочувствительных сенсоров газа является актуальной задачей, решение которой позволит точно и быстро оценивать изменения в воздушно-газовом составе заданной среды. К наиболее дешевым и экологичным газочувствительным материалам, отличающимся быстрым откликом, относятся сенсоры газов на основе металлсодержащих пиролизованных полиакрилонитрилов (Ме-пПАН). Одним из видов сенсорных материалов, входящих в перечень Ме-пПАН, является пиролизованный полиакрилонитрил (пПАН), модифицированный молекулой оксида хрома (III). Причины селективной адсорбции у пПАН и у Ме-пПАН к газам-поллютантам, которые позволили бы управлять данным процессом и получать сенсорные материалы с повышенной чувствительностью к газам, в настоящее время не изучены.
Поэтому целью данной работы было установление основных причин селективной адсорбции полупроводниковых электропроводящих пленок методами моделирования в рамках молекулярной и квантовой механики.
Материалы и методы. Использовались методы моделирования в рамках молекулярной и квантовой механики (ММ2), метод теории функционала плотности (COSMO) и полуэмпирический PM7-метод в программном пакете MOPAC.
Результаты исследования. Методами ММ2 и PM7 получены модели адсорбционных комплексов систем «Cr-пПАН — газ-загрязнитель». Рассчитаны термодинамические параметры системы для стандартных условий окружающей среды. Установлена зависимость адсорбции газов-загрязнителей на поверхности Cr-пПАН от температуры.
Обсуждение и заключение. В результате расчета термодинамических показателей систем «газ-загрязнителель — пПАН/Ме-пПАН» и получения положительных значений величин энергий Гиббса данных систем подтверждено, что адсорбция газов-загрязнителей на поверхности Cr-пПАН не является спонтанным и самопроизвольным явлением и эффективна при высоких температурах. Учитывая, что при внедрении оксида хрома (III) в матрицу пПАН, происходит увеличение заряда на атомах азота, можно сделать вывод о положительном влиянии молекулы оксида хрома (III) на полупроводниковые свойства пПАН. Установлено, что на поверхностях пПАН и Cr-пПАН наиболее вероятна адсорбция газов-загрязнителей (SO2 и NO2). Результаты, полученные в работе, можно использовать для получения газочувствительных материалов с заданными метрологическими характеристиками.
Introduction. Obtaining highly sensitive gas sensors is an urgent task, the solution to which will allow you to accurately and quickly assess changes in the air-gas composition of a given medium. Gas sensors based on metal-containing pyrolyzed polyacrylonitriles (Me-pPAN) are among the cheapest and most environmentally friendly gas-sensitive materials with a fast response. One of the types of sensor materials included in the Me-pPAN list is pyrolyzed polyacrylonitrile (pPAN) modified with a chromium (III) oxide molecule. The reasons for selective adsorption of pPAN and Me-pPAN to pollutant gases, which would allow controlling this process and obtaining sensory materials with increased sensitivity to gases, are not enough studied.
Therefore, the aim of this work was to establish the main causes of selective adsorption of semiconductor electrically conductive films by modeling methods in the framework of molecular and quantum mechanics.
Materials and Methods. The authors used modeling methods in the framework of molecular and quantum mechanics (MM2), the density functional theory (COSMO) method and the semi-empirical PM7 method in the MOPAC software package.
Results. MM2 and PM7 methods were used to obtain models of adsorption complexes of "Cr-pPAN – gas-pollutant" systems. Thermodynamic parameters of the system were calculated for standard environmental conditions. The dependence of the adsorption of pollutant gases on the surface of Cr-pPAN on temperature has been established.
Discussion and Conclusion. As a result of calculating the thermodynamic parameters of gas-pollutant–pPAN/Me-pPAN systems and obtaining positive values of Gibbs energies of these systems, it was confirmed that the adsorption of polluting gases on the surface of Cr-pPAN was not a spontaneous phenomenon and was effective at high temperatures. Considering that when chromium (III) oxide was introduced into the pPAN matrix, the charge on nitrogen atoms increased. It could be concluded that a chromium (III) oxide molecule had a positive effect on the semiconductor properties of pPAN. It was found that the adsorption of polluting gases (SO2 and NO2) was most likely on the surfaces of pPAN and Cr-pPAN. The results obtained in the work can be used to obtain gas-sensitive materials with specified metrological characteristics.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.