Маломощные термокаталитические наносенсоры для детектирования газов в тяжелых условиях эксплуатации

Иностранный партнер

Центр энергетических исследований Академии наук Венгрии (Centre for Energy Research, Hungarian Academy of Sciences), г. Будапешт, Венгрия.

Цель проекта

Целью проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 21.02.2018 г. №14.587.21.0053 (уникальный идентификатор проекта RFMEFI58718X0053) с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» является создание серийной технологии изготовления термокаталитических сенсоров на основе кремниевой МЭМС («микроэлектромеханические системы») технологии и керамического SMD («Surface Mounted Device» – дословно «прибор, монтируемый на поверхность») корпуса для применения в тяжелых условиях эксплуатации.

Этап №1 «Обоснование и выбор направления исследований с целью определения оптимального варианта направлений исследования. Разработка катализаторов на основе Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂»

В ходе выполнения проекта на этапе № 1 в период с 21.02.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

• выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему исследования;
• проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
• произведена сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований и разработка вариантов возможных решений задачи, выбор и обоснование оптимальных вариантов решения задачи проектирования и изготовления SMD-корпусов для микронагревателя;
• разработана методика получения носителей катализаторов на основе индивидуальных неагломерированных наночастиц Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂, пригодных для получения чернил, используемых в установках струйной и аэрозольной печати;
• получены наноструктурированные носители катализатора на основе индивидуальных неагломерированных наночастиц Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂, предназначенные для нанесения наночастиц каталитических металлов (Pt, Pd и их смесей);
• разработана методика получения наноразмерных неагломерированных наночастиц Pt и Pd, предназначенных для нанесения на носители катализатора на основе наночастиц Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂;
• осуществлен выбор состава чернил, предназначенных для использования в установках струйной и аэрозольной печати и пригодных для нанесения каталитического слоя термокаталитического газового сенсора на площадку кремниевой МЭМС.

Иностранным партнером за счет собственных средств выполнялись следующие работы:

• организована рабочая встреча для согласования работ по проекту («kick-off meeting»);
• произведено моделирование и проектирование микронагревателя на основе технологии кремниевых МЭМС;
• изготовлены микронагреватели с платиновым нагревательным элементом на основе технологии кремниевых МЭМС с рабочим элементом и элементом сравнения, предназначенной для нанесения каталитического слоя методом струйной и аэрозольной печати.

При этом были получены следующие результаты:

• выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках исследований, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российский научных журналах, монографии и (или) патенты – объем, которого составил не менее 18 научно-информационных источников за период 2012-2017 гг.;
• были проведены патентные исследования согласно ГОСТ Р 15.011-96, оформленные в отчете о патентных исследованиях;
• был проведен анализ существующих вариантов решения SMD-корпусирования газовых сенсоров, и оптимальным решением признано использование корпусов фирмы Кyocera для изготовления термокаталитического сенсора;
• была разработана составная часть технологического регламента на изготовление наноструктурированных катализаторов на основе Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂, пригодных для получения чернил, используемых в установках струйной и аэрозольной печати;
• был проведен синтез наноструктурированных носителей катализатора на основе индивидуальных неангломерированных наночастиц Al₂O₃ и CeO₂/ZrO₂ для последующего нанесения на них наночастиц каталитических металлов катализаторов;
• был произведен выбор состава чернил для нанесения каталитического слоя газового сенсора на площадку кремниевого МЭМС методами струйной и аэрозольной печати.

Иностранным партнером за счет собственных средств получены следующие результаты:

• произведено моделирование и проектирование микронагревателя на основе технологии кремниевых МЭМС;
• изготовлены микронагреватели с платиновым нагревательным элементом на основе технологии кремниевых МЭМС с рабочим элементом и элементом сравнения, предназначенной для нанесения каталитического слоя методом струйной и аэрозольной печати.

Полученные теоретические и практические результаты первого этапа проекта обеспечат разработку и создание нового поколения миниатюрных термокаталитических сенсоров в форм-факторе SMD-корпусов для применения в мобильных устройствах (смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.д.) или устройствах, реализующих концепцию IoT («Internet of Things» – дословно «интернет вещей»).

Ожидаемым эффектом от использования полученных результатов является: уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду за счет дополнительных возможностей по мониторингу газового состава окружающей среды; упрощение процедур мониторинга технологических процессов и предотвращение чрезвычайных ситуаций.

Коммерциализация результатов на первом этапе проекта не предусмотрена. На последующих этапах проекта возможной формой коммерциализации видится инжиниринг, промышленная кооперация, передача технологий в рамках совместных и малых предприятий занимающих выпуском приборов для промышленной безопасностью, а также распространение и продажа разработанных газочувствительных нанокатализаторов для компаний, занимающихся выпуском газовых сенсоров.