Степень разработанности темы исследования.

Общая черта работы.

Актуальность темы

Измерения концентрации ядовитых газов животрепещуще в технологии производства материалов и устройств электрической техники. Понимание необходимости четкого контроля ядовитых газов и обнаружения загрязнений среды в ближайшее время возросло из-за резвого развития различных отраслей экономики. Индустрия возрастает не только лишь в развитых, да и в развивающихся странах.

Большему Степень разработанности темы исследования. риску воздействия подвергаются работники компаний по чистке сточных вод, шахтеры, металлурги, работники хим компаний и др.

Так, к примеру, для компаний и организаций, деятельность которых связана с бурением, испытанием нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин и эксплуатацией объектов добычи, сбора, подготовки, транспорта и хранения нефти, газа и газового конденсата Степень разработанности темы исследования. на месторождениях нужен контроль содержания сероводорода в воздухе.

Отравление угарным газом, также одним из опаснейших ядовитых газов, более нередко происходит при вдыхании товаров горения на пожарах либо при разработке чрезвычайных ситуаций при катастрофах на больших заводах, предприятиях, добычах, связанных с угарным газом. Существенное количество угарного газа выделяется при Степень разработанности темы исследования. работе компаний хим и металлургической индустрии. В больших городках основная толика выделяемого угарного газа приходится на авто транспорт.

Подобные задачки животрепещущи также и в таких областях как химия, биотехнология и медицина.

В связи с этим, идет неизменная разработка всеполноценных, дешевых, портативных датчиков. Из-за возрастающей обеспокоенности общественности об опасностях, вызванных Степень разработанности темы исследования. ядовитыми газами, появилась потребность в новых типах хим датчиков с завышенной чувствительностью и селективностью.

Химические детекторы – это особые устройства, в каких аналитический сигнал обеспечивается протеканием химического процесса. Ток, вырабатываемый при химической реакции детектируемого ядовитого газа, согласно закону Фарадея прямо пропорционален концентрации газа, потому концентрация этого газа может быть определена Степень разработанности темы исследования. измерением величины тока.

Так как конкретно химические датчики способны определять ядовитые газы стремительно и точно, требуется разработка способа производства электродов для их, позволяющих не только лишь создавать электроды с данными чертами в промышленных масштабах, да и обеспечивать экономичность данного производства.

Степень разработанности темы исследования.

В текущее время синтез электродов для химических Степень разработанности темы исследования. детекторов (ЭХС) делается в главном при помощи способа трафаретной печати. Одним из главных недочетов трафаретной печати является высочайшая толщина пленок, что не всегда допустимо при разработке каталитических слоев, главным требованиям к которым является отменная газопроницаемость. Не считая того, данный способ не позволяет достигнуть неплохой воспроизводимости результатов, высочайшей чистоты Степень разработанности темы исследования. катализатора и не является экономным.

Способы магнетронного распыления позволяют создавать электроды по групповой технологии, что позволяет существенно сделать лучше воспроизводимость результатов, а не считая того обеспечивает чистоту композита.

Но сейчас времени работы по нанесению платино-графитового композита впрямую на пористую фторопластовую подложку, для использования в качестве электродов Степень разработанности темы исследования. в ЭХС, отсутствуют.

Целью работыявлялась исследование и разработка групповой технологии производства электродов высокоселективных химических газовых детекторов со структурой и качествами, обеспечивающими автоматический непрерывный мониторинг сероводорода и монооксида углерода в широком спектре концентраций.

Для заслуги цели были последующие задачки:

1 . Создать технологию формирования тонкопленочных нанокомпозитных катализаторов Pt/C способом магнетронного распыления Степень разработанности темы исследования. на пористой фторопластовой подложке для внедрения в качестве электродов химических детекторов;

2 . Изучить корреляционные зависимости меж электрофизическими и химическими качествами тонкопленочных Pt/C катализаторов зависимо от характеристик технологи ческого процесса и концентрации платины в Pt/C композите;

3 . Изучить характеристики химических детекторов H2S и CO с тонкопленочными нанокомпозитными Pt/C Степень разработанности темы исследования. электродами.

4 . Провести сравнительный анализ черт химических детекторов с тонкопленочными нанокомпозитными Pt/C катализатором с коммерческими образцами.

Научная новизна

1. В первый раз изучен процесс формирования тонкопленочных Pt/C слоев и разработана разработка сотворения нанокомпозитных Pt/C электродов для химических газовых детекторов способом магнетронного со-распыления на пористые фторопластовые подложки.

2. В первый раз изучены Степень разработанности темы исследования. химические характеристики активной поверх-ностиPt/C электрода напыленного на пористую фторопластовую подложку при помощи способа повторяющейся вольтамперометрии.

3. Показано, что различия в селективности к угарному газу рабочего электрода сделанного по классической технологии и напыленного Pt/C рабочего электрода связано с конфигурацией структуры платины от монокристаллической к поликристаллической.

4. В первый Степень разработанности темы исследования. раз определены характеристики и свойства химических детекторов H2S и CO с Pt/C напыленными электродами.

Практическая значимость работы.

В первый раз синтезированы электроды для химических детекторов способом магнетронного распыления с высочайшей воспроизводимостью в промышленных масштабах по групповой технологии.

Приобретенные детекторы позволяют расширить спектр измерения концентрации ядовитых газов, вследствие Степень разработанности темы исследования. их высочайшей селективности, воспроизводимости и стабильности рабочих черт.

Способы исследования

Структура и морфология пленочных покрытий была исследована при помощи Pt/C сканирующего электрического микроскопа JEOL JSM-5910LV, энергодисперсионного спектрометра PrincetonGamma-Tech, конфокального рамановского микроскопа с возможностью работы в режиме атомно-силового микроскопа WITec alpha300 RA.

На защиту выносятся:

1 . Технологический режим получения тонкопленочных нанакомпозитныхPt Степень разработанности темы исследования./C слоев с управляемыми параметрами способом магнетронного распыления на пористой фторопластовой подложке по групповой технологии;

2 . Результаты исследования корреляционной зависимости меж электрофизическими и химическими качествами тонкопленочных Pt/C катализаторов зависимо от характеристик технологического процесса и концентрации платины в Pt/C композите;

3 . Данные по результатам исследовательских работ черт Степень разработанности темы исследования. химических детекторов H2S и CO с тонкопленочным нанокомпозитным Pt/C катализатором в качестве электродов зависимо от характеристик среды и состава композита.

Апробация работы

Главные положения диссертационной работы докладывались и дискуссировались на VI интернациональной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в индустрии. Печные агрегаты. Экология», 12-ом международном совещании «Фундаментальные задачи ионики твердого тела Степень разработанности темы исследования.», 12-ой научно-технической конференции с ролью забугорных профессионалов «Вакуумная наука и техника», XXIX Интернациональная выставка «Eurosensors 2015», 23-ей научно-технической конференции с интернациональным ролью «Вакуумная техника и технологии-2016».

Личный вклад создателя

Создателем выполнена часть работы, связанная с подбором и оптимизацией режимов работы установки магнетронного распыления и способов формирования тонких Степень разработанности темы исследования. пленок. Создателем проведены все опыты по исследованию каталитических параметров пленок и выполнена большая часть измерений черт сделанных химических детекторов. Создателем проведен анализ и обобщение результатов всех проведенных тестов. Подготовка публикаций проведена создателем вместе с соавторами.

Реализация результатов работы

Разработанная разработка магнетронного напыления тонкопленочных С/Pt нанокомпозитных электродов внедрена в технологический процесс ФГУП «СПО Степень разработанности темы исследования. «Аналитприбор» и ООО «ИЗОВАК.

Налажен серийный выпуск химических детекторов на сероводород и угарный газ с электродами нового типа.

Экономический эффект от внедрения разработанный технологии составил порядка 3,5 млн.руб. в 2016 году.

Публикации

По теме диссертации размещено 12 печатных работ, в том числе 2 научные статьи в рецензируемых изданиях, входящих в Степень разработанности темы исследования. список рекомендованных ВАК при Минобрнауки Рф. 3 статьи были размещены в забугорных изданиях, входящих в систему цитирования Scopus. 7 статей, в том числе 5 тезисов докладов, были размещены в иных изданиях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 106 страничках машинописного текста, перечня литературы из 98 наименований и содержит Степень разработанности темы исследования. 41 набросок и 19 таблиц.

Содержание работы

Во внедрении обусловлена актуальность работы, определены цель и задачки диссертации. Сформулирована научная новизна, практическая значимость приобретенных в работе результатов и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, основываясь на литературных данных, отмечено, что имеющиеся способы производства катализаторов, позволяют создавать их в достаточных для коммерческих целей количествах, обеспечивая Степень разработанности темы исследования. определенную воспроизводимость их характеристик и черт. Но не решен вопрос селективности, катализаторов, приобретенных схожим образом.

Изготовлено предположение, что новенькая разработка, основанная на магнетронном распылении композитной мишени, позволит не только лишь заавтоматизировать процесс производства электродов, понизить расход платины в химическом датчике втрое за счет уменьшения толщины активного слоя, достигнуть повторяемости результатов Степень разработанности темы исследования. (сопротивления электродов, величины фонового тока, коэффициента чувствительности), да и достигнуть селективности, за счет способности контроля параметров создаваемого композита.

Не считая того, показано, что новенькая разработка позволит избежать процедуры чистки поверхности электрода от товаров требующих следующей хим отмывки.

Во 2-ой главе, приведена поэтапная реализация технологии производства электродов ЭХС способом Степень разработанности темы исследования. магнетронного распыления, также результаты анализа структуры поверхности каталитических Pt/C слоев.

В качестве технологической установки для магнетронного распыления была применена измененная установка вакуумного напыления ВУ-1А. В качестве хорошей конфигурации магнетрона был избран протяженный магнетрон неизменного тока для работы с мишенями конкретного остывания.

В главе обусловлено применение комбинированной платино-графитовой мишени Степень разработанности темы исследования. и внедрение фторопласта марки ФМ-400 (ПТФЭ) пористостью 50%, поперечником пор 1 мкм и шириной 300мкм в качестве подложки для нанесения катализатора.

Не считая того, сформулированы главные требования, предъявляемые к получаемым тонкопленочным нанокомпозитным каталитическим Pt/C слоям:

¾ высочайшая пористость для обеспечения газовой диффузии, но не приводящая к невоспроизводимости показаний детектора (газопроницаемость Степень разработанности темы исследования. – 0,2 – 0,6 л/мин);

¾ высочайшая проводимость для обеспечения рационального токосъема, роста времени и стабильности работы химического детектора (сопротивление – менее 100 Ом);

¾ толщина электрода должна обеспечивать создание рационального диффузионного слоя, при одновременном образовании действенного двойного электронного слоя на поверхности электрода (толщина слоя – 0,1 – 1 мкм);

¾ наибольшая чистота композита. Наличие Степень разработанности темы исследования. примесей в пленке на уровне 3-5% приводит к существенному повышению фоновых токов, уменьшает время работы детектора, также может в процессе эксплуатации привести к неверным срабатываниям детектора.

Рис.1 Зависимость скорости осаждения от давления рабочего газа.

Не считая того, определены главные характеристики распылительной системы: скорость осаждения пленок, расстояние мишень - подложка, размеры зоны Степень разработанности темы исследования. эрозии, материал мишени и рабочее давление.

Основной параметр, влияющий на скорость распыления – это давление рабочего газа (аргона) в камере. При проведении исследовательских работ были получены последующие результаты (рис.1).

Рассмотрев полученную зависимость, выделим последующие области значений давления:

- ниже 0,1 Па: процесс напыления неосуществим;

- 0,1-0,3 Па: плазма зажигается, но процесс в данной области нестабилен. Наблюдаются Степень разработанности темы исследования. повторяющиеся скачки напряжения и тока, плазма «мерцает», что приводит к очень низким скоростям распыления;

- 0,4-0,7 Па: область размеренной работы магнетрона. Маленькой скачок тока наблюдается исключительно в начале распыления в течение 3-5 минут. Потом система работает размеренно;

- выше 0,7 Па: магнетрон работает размеренно, но начинается понижение скорости роста пленки. Этот факт связан, может быть Степень разработанности темы исследования., с эффектом перераспыления ионов композита резвыми ионами: за счет высочайшей концентрации атомов аргона ионы композита сталкиваясь с ними, отлетают в направлении обратном подложке.

Рис.2 - Соотношение равномерности напыления подложки и газопроницаемости электрода зависимо от расстояния мишень-подложка

Для наибольшей скорости осаждения подложка должна быть расположена так близко Степень разработанности темы исследования. к мишени, как это может быть при сохранении наружных очертаний области плазмы. В нашем случае расстояние мишень-подложка изменялось от 7 до 13 см. График соотношение равномерности напыления подложки и газопроницаемости электрода зависимо от расстояния мишень-подложка представлен на рисунке 2.

В процессе работы была определена зависимость скорости распыления графитовой мишени от Степень разработанности темы исследования. глубины эрозии мишени. Сначало результаты были получены для графитовой мишени. На основании приобретенных результатов было изготовлено заключение, что толщина платиновой полосы должна быть менее 5 мм, потому что изменение глубины эрозии мишени при распылении на бóльшую величину приводит к уменьшению скорости роста пленок на 35% по отношению к начальному значению.

При Степень разработанности темы исследования. анализе воздействия данного параметра было получено уравнение регрессии, отражающее зависимость скорости распыления от толщины платиновой полосы, так как оценка данного параметра более точна.

На рисунке представлена зависимость скорости распыления композитной мишени зависимо от глубины её эрозии.

Рис.3 - Зависимость скорости распыления мишени от глубины эрозии (сплошная линия – экспериментальный итог Степень разработанности темы исследования., пунктир - расчетные данные).

Анализ поверхности приобретенного Pt/C композита синтезированного при избранных параметрах системы, был проведен при помощи разных видов микроскопии.

На изображениях незапятанной и напыленной подложки, изготовленных при помощи микроскопа универсального Биомед 6 видно, что приобретенная мелкодисперсная пленка точно повторяет рельеф подложки. Но, в узлах «ромбов» подложки частички платины Степень разработанности темы исследования. агломерируют, происходит рост типичных «столбиков».

Рис.4. Топография платино-графитового композита

Более детализированное исследование поверхности при помощи конфокального рамановского микроскопа с возможностью работы в режиме атомно-силового микроскопа WITec alpha300 RA (рис.4) подтверждает рост «столбиков» платины в узлах решетки.

Не считая того, в процессе данного исследования было подтверждено, что углерод Степень разработанности темы исследования., присутствующий в композите – бесформенной формы.

Проведя дополнительно исследование поверхности композита при помощи энергодисперсионного спектрометра PrincetonGamma-Tech и сканирующего электрического микроскопа JEOL JSM-5910LV, была подтверждена чистота приобретенной узкой пленки (рис.4)

а) б)

Рис.5 . Результаты исследования приобретенного Pt/C композита при помощи а) энергодисперсионного спектрометра PrincetonGamma-Tech; б) сканирующего электрического микроскопа JEOL Степень разработанности темы исследования. JSM-5910LV

Таким макаром, на основании исследовательских работ поверхности Pt/C композита установлена связь меж исследуемыми параметрами поверхности и технологическими параметрами распыления.

В третьей главе приведено короткое описание химического метода оценки каталитической активности напыленных и «намазного» рабочих электродов – способа повторяющейся вольтамперометрии, описано устройство трехэлектродной ячейки с водянистым электролитом, применяемой Степень разработанности темы исследования. для проведения исследовательских работ.

Также, дано обоснование выбора электролита для ЭХС, приведено подробное описание методики проведения химических исследовательских работ.

Проведены подготовительные исследования приобретенных образцов электродов, установленных конкретно в трехэлектродную химическую ячейку (рис. 6), способом повторяющейся вольтамперометрии для расчетаплощади электрохимически активной поверхности катализатора на электроде и определения наибольшей каталитической активности образцов.

Рис Степень разработанности темы исследования..6 .Схема устройства ЭХС. 1 - диффузионный барьер; 2 - фиксирующее кольцо; 3 - рабочий электрод; 4 - электрод сопоставления; 5 – компенсационный (вспомогательный) электрод; 6 - электролит.

В процессе исследовательских работ определены напыленные эталоны электродов, владеющие большей площадью поверхности катализатора.

При анализе повторяющихся вольтамперограмм (ЦВА) на основании того факта, что ширина пика адсорбции СО намазного электрода составляет 20 -30 мВ, а для Степень разработанности темы исследования. напыленного – 150-400мВ, изготовлен вывод, что намазной электрод состоит из кластеров платины приблизительно 1-го размера с доминированием грани (100).

В тоже время для напыленного электрода наличие кластеров разных размеров и граней разной ориентации приводит к уширению пиков на ЦВА. Этот факт разъясняет повышение селективности напыленного электрода по отношению к намазному, так как поведение Степень разработанности темы исследования. граней платины в отношении адсорбции и возможности окисления СОс низкими кристаллографическими индексами диаметрально обратно поведению граней с высочайшими кристаллографическими индексами.

Проведена оценка фоновых токов и коэффициентов чувствительности ЭХС к угарному газу. Определены ЭХС имеющие малое значение фонового тока £0,1мкА/мг/м3 и наибольшее значение коэффициент чувствительности.

На основании анализа приобретенных Степень разработанности темы исследования. в итоге исследовательских работ данных, была определена лучшая толщина получаемого тонкопленочного нанокомпозитного Pt/C катализатора – 400 - 450 нм.

По результатам исследовательских работ выбраны эталоны для проведения последующих исследовательских работ характеристик и черт ЭХС

В главе 4 изучены последующие характеристики и свойства образцов химических детекторов с Pt/C электродами, синтезированными способом магнетронного Степень разработанности темы исследования. распыления на пористой фторопластовой подложке: чувствительность, перекрестная чувствительность, время отклика (время установления показаний), длительная стабильность, температурная зависимость фонового тока и коэффициента чувствительности, зависимость чувствительности ЭХС от давления, зависимость чувствительности ЭХС от влажности, воспроизводимость ЭХС, предел обнаружения, дрейф сигнала. Все исследования проводились на стендовом оборудовании аттестованном метрологическими службами предприятия Степень разработанности темы исследования..

Свойства избранных образцов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – свойства ЭХС, избранных для проведения испытаний

№ эталона Содержание платины, вес. % Сопротивление электрода, Ом Толщина слоя, нм Площадь электрохимически активной поверхности катализатора на электроде ЭХС, 103см2 Фоновый ток, мкА Чувствительность к СО, мкА/мг/м3 Чувствительность к H2S, мкА/мг/м3
0,06 0,01 0,0064 0,45
0,05 0,1 0,0048 0,3
6 (намазн.) 100% 2,3 0,05 0,2 0,4

Рис.7. ЭХС №6 с фильтром Степень разработанности темы исследования..

В процессе работы для исключения перекрестной чувствительности и роста селективности конструкция ЭХС №6 была доработана с учетом установки фильтра с наполнителем в виде химически активного поглотителя кислых газов (рис. 7), подобранного таким макаром, чтоб не создавать дополнительного пневматического сопротивления.

Из анализа данных по перекрестной чувствительности можно заключить, что Степень разработанности темы исследования. установкой фильтра достигнута нужная селективность, так как отклик ЭХС №6 на сероводород находится в границах фоновых токов.

Набросок 8. Изменение чувствительности ЭХС во времени.

При выборе электродов для серийного производства уровня сероводорода был избран электрод №3 вследствие большей длительной стабильности (изменение показаний составило всего 1,2 % за полгода), воспроизводимости (все показания лежат в границах Степень разработанности темы исследования. доверительного интервала) и низких фоновых токов ЭХС на его базе.

Оценка температурной зависимости. ЭХС H2S и СО выявила необходимость введения соответственных температурных коэффициентов для устройств, использующих данные детекторы.

По результатам испытаний зависимости показаний ЭХС от давления и влажности можно заключить, что корректировки показаний по изменению данных характеристик устройствах Степень разработанности темы исследования. не будет нужно.

При проведении сравнительного анализа характеристик разработанных ЭХС с основными аналогами, выпускаемыми серийно (рис.9), изготовлен вывод, что сделанные на базе разработанных электродов детекторы владеют в 3,5 раза большей чувствительностью, в 10 раз более низкими фоновыми токами, сравнимыми периодически отклика и пределами обнаружения газов.

Рис.9 Сопоставление черт разработанных детекторов (столбцы Степень разработанности темы исследования. справа) проводилось в отношении черт детекторов последующих главных производителей: Alphasense (Англия), CityTechnology (Англия), Drager (Германия), Nemoto (Япония); MST (Германия).

В заключениисформулированы главные выводы, научные и практические результаты работы, многообещающие направления для предстоящей экспериментальной деятельности.

Главные результаты

1. Разработана разработка формирования тонкопленочных нанокомпозитных Pt/C катализаторов способом магнетронного распыления на пористой фторопластовой подложке Степень разработанности темы исследования. для внедрения в качестве электродов химических детекторов. Для реализации данной технологии:

- обусловлен выбор материала подложки (фторопласт марки ФМ-400 (ПТФЭ) пористостью 50%, поперечником пор 1 мкм и шириной 300мкм);

- обусловлен выбор конфигурации композитной мишени;

- определен лучший режим со-распыления (рабочее напряжение – 500 В, сила анодного тока – 200 мА, рабочее давление – 0,4-0,7 Па, расстояние мишень-подложка Степень разработанности темы исследования. – 10 см);

- определено среднее соотношение платины-углерода в составе катализатора (90% вес.).

2. В итоге разработанной технологии получен рабочий электрод для химических детекторов кислых газов нового типа. Электрод содержит в себе: газопроницаемую пористую фторопластовую мембрану с нанесенным на нее тонкоплёночным нанокомпозитным Pt /Сслоем, характеристики которого оптимизированы исходя из убеждений его функционирования Степень разработанности темы исследования. в качестве каталитического слоя в ЭХС угарного газа и сероводорода с сернокислым электролитом.

3. Избран метод исследования параметров и черт наносимых Pt/C нанокомпозитных тонких пленок зависимо от режимов напыления и количества платины в композите. В качестве избранного метода исследования предложена и обусловлена методика оценки циклических-вольтамперограмм детекторов с установленными в их Степень разработанности темы исследования. исследуемыми электродами. В процессе исследования изготовлено предположение о вероятных причинах роста селективности напыленных электродов за счет различия на поверхностях электродов кристаллов платины с разными кристаллографическими индексами.

4. Изучены главные характеристики химических детекторов H2S и CO в спектре 0,1-20 ПДК и 0,2-25 ПДК соответсвенно. На базе приобретенных данных был избран лучший тип электрода Степень разработанности темы исследования., определены главные свойства его синтеза для внедрения серийного производства электродов для ЭХЯ.

5. Проведен сравнительный анализ черт детекторов с коммерческими образцами. В процессе анализа показано, что главные свойства близки, а в неких случаях превосходят свойства соперников. Так, детекторы, сделанные на базе разработанных электродов, владеют в3,5 раза большей Степень разработанности темы исследования. чувствительностью, на более низкими фоновыми токами, сравнимыми периодически отклика и пределами обнаружения газов.

6. Результаты работы внедрены в ФГУП «СПО «Аналитприбор» и ООО «ИЗОВАК».


stenoz-vihodnogo-otdela-zheludka-doklad.html
step-mix-super-intensivnaya-trenirovka-na-step-platformah-raznih-urovnej-slozhnosti.html
stepan-ivanovich-putyatin-1714-1717-gg.html