Ученые ЛЭТИ синтезировали недорогой двумерный наноматериал для создания высокоточных сенсоров опасных газов

Полученное соединение – графитоподобный нитрид углерода (g-C3N4) – может также найти применение в инновационных технологиях очистки воды.

Загрязнение атмосферы является одним из основных негативных последствий для окружающей среды от индустриальной деятельности человека (работа заводов, электростанций, угольных шахт и пр.), а также от использования техники и транспорта на горючем топливе. Выделяемые в ходе этих процессов вредные газы влияют не только на природу, но и со временем вызывают опасные болезни у людей. Кроме того, ряд опасных токсинов и горючих соединений в газообразном состоянии практически не имеет цвета и запаха (например, метан). 

Для предотвращения подобных инцидентов ученые занимаются разработкой различных видов газоанализаторов, которые бы обладали достаточной точностью и дешевизной, чтобы можно было наладить массовое производство. В настоящее время большой интерес в этой области представляют полупроводниковые наноразмерные сенсоры. По сравнению с другими типами материалов их главными преимуществами являются низкая стоимость и простота изготовления.

«Мы разработали метод синтеза g-C3N4 — это двумерный (толщиной в один атом) полупроводниковый наноматериал с кристаллической структурой, аналогичной графиту. Он характеризуется простотой производства из распространенных и недорогих материалов».

Ученые ЛЭТИ получили наночастицы материала g-C3N4 путём термической конденсации азотосодержащих соединений (таких как меламин, дициандиамид и мочевина). Формой, размером и структурой g-C3N4 легко управлять, изменяя скорость нагрева, температуру и время конденсации. Затем из наночастиц g-C3N4 исследователи синтезировали двумерные слои при помощи метода ультразвуковой эксфолиации.

«Благодаря своим свойствам g-C3N4 открывает возможности для создания нового класса газовых сенсоров, которые будут превосходить существующие аналоги по чувствительности, компактности и экономичности. Кроме того, g-C3N4 характеризуется биосовместимостью и отличными каталитическими свойствами. Первое представляет интерес в медицине, а второе, например, в очистке воды от органических загрязнений».

Еще одно потенциально перспективное назначение графитоподобного нитрида углерода – перовскитные панели для солнечной энергетики (фотовольтаики). В этом случае g-C3N4 может формировать слои, которые будут «залечивать» дефекты и лучше проводить электрический ток. Изучение возможностей применения g-C3N4 в фотовольтаике – одно из направлений дальнейшей работы ученых ЛЭТИ.

В исследовании приняли участие специалисты СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Вьетнамского государственного технического университета им. Ле Куй Дона и СПбПУ. Проект поддержан грантом РНФ (№ 23-42-10029). Разработки сенсорных материалов для новых типов электроники проводится в русле программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет 2030».