blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2025-4-342-348blackmet-2924Research ArticleЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕECOLOGY AND RATIONAL USE OF NATURAL RESOURCESПерспективные конструкции газоанализаторов для металлургииPromising designs of gas analyzers for metallurgyhttps://orcid.org/0000-0003-0236-8151ВасинаМ. В.VasinaM. V.

Марина Владимировна Васина, к.х.н., доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность»

Россия, 644050, Омск, пр. Мира, 11

Marina V. Vasina, Cand. Sci. (Chem.), Assist. Prof. of the Chair of Indust­rial Ecology and Safety

11 Mira Str., Omsk 644050, Russian Federation

896099949132@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1878-909XБащенкоЛ. П.BashchenkoL. P.

Людмила Петровна Бащенко, к.т.н., доцент кафедры тепло­энергетики и экологии

Россия, 654007, Кемеровская обл. – Кузбасс, Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Lyudmila P. Bashchenko, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof. of the Chair “Thermal Power and Ecology”

42 Kirova Str., Novokuznetsk, Kemerovo Region – Kuzbass 654007, Russian Federation

luda.baschenko@gmail.comОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian FederationСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian Federation202522082025684342348Copyright © Васина М.В., Бащенко Л.П., 20252025Васина М.В., Бащенко Л.П.Vasina M.V., Bashchenko L.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/2924

Газовый анализ – один из ключевых методов оценки качества атмосферного воздуха в населенных пунктах, а также в рабочей зоне производств. Особенно необходим мониторинг атмосферного воздуха на объектах, оказывающих значительное негативное воздейст­вие на окружающую среду, в частности, на предприятиях черной металлургии. Особенность газоанализаторов, используемых для системы наблюдения за качеством воздуха, заключается в их чувствительности и селективности. Для достижения данных показателей необходим правильно подобранный чувствительный элемент: преобразователь газоанализатора. В качестве материалов для изготовления преобразователей предлагаются синтезированные твердые растворы полупроводниковых бинарных компонентов, которые зарекомендовали себя как хорошие адсорбенты. В настоящей работе авторы рассмотрели полупроводниковые системы, состоящие из ZnTe и CdSe, условия синтеза твердых растворов на их основе, способы их идентификации, которые позволили аттестовать полученные материалы как твердые растворы замещения с кубической структурой (сфалерита) и гексагональной структурой (вюрцита) (в зависимости от состава). Выполненные рентгенографические, микро-, электронно-микроскопические, ИК-спектроскопические исследования твердых растворов позволили понять структуру поверхности адсорбентов. Результаты исследований химического состава поверхности, кислотно-основных свойств твердых растворов и бинарных компонентов систем позволяют сделать вывод о присутствии на поверхности льисовских и бренстедовских кислотных центров, отвечающих за адсорбцию СО на поверхности. В системах ZnTe – CdSe наблюдается тенденция перехода от слабокислой области к относительному повышению основности поверхности с увеличением содержания ZnTe. При помещении материалов в атмосферу СО в такой же зависимости происходит адсорбция газа на поверхности твердых растворов, что подтвердили прямые каталитические исследования. Установленные закономерности изменений с составом объемных и поверхностных свойств позволяют рекомендовать новые полученные материалы в качестве первичных преобразователей сенсоров-датчиков.

Gas analysis is one of the key methods for assessing the quality of atmospheric air in populated areas, as well as in the work area of production facilities. Atmospheric air monitoring is especially necessary at facilities that have a significant negative impact on the environment, in parti­cular, at ferrous metallurgy enterprises. The peculiarities of the gas analyzers used for air quality monitoring system are their sensitivity and selectivity. To achieve these indicators, a properly selected sensing element is needed: a gas analyzer converter. Synthesized solid solutions of semiconductor binary components, which proved themselves to be good adsorbents, are proposed as materials for the manufacture of converters. In this paper, the authors examined semiconductor systems consisting of ZnTe and CdSe, conditions for synthesis of the solid solutions based on them, and methods for their identification, which allowed the obtained materials to be certified as solid substitution solutions with cubic spha­lerite and hexagonal wurtzite structures (depending on the composition). X-ray, micro-, electron-microscopic, and IR spectroscopic studies of solid solutions made it possible to understand the surface structure of adsorbents. Results of the studies of the surface chemical composition, acid-base properties of solid solutions and binary components of the system allow us to conclude that the Lewis and Brønsted acid centers responsible for CO adsorption on the surface are present on the surface. In the ZnTe – CdSe systems, there is a tendency to move from a slightly acidic region to a relative increase in the surface basicity with an increase in ZnTe content. When materials are placed in a CO atmosphere, gas adsorption on the surface of solid solutions occurs in the same dependence, which was confirmed by the direct catalytic studies. The established patterns of changes with the composition of bulk and surface properties allow us to recommend new obtained materials as primary converters of sensors.

газоанализаторугарный газполупроводникновые материалытвердые растворыхимический составповерхностные и объемные свойствазакономерностиgas analyzercarbon monoxidesemiconductornew materialssolid solutionchemical compositionsurface and bulk propertiesregularitiesReferencesFang X., Zhai T., Gautam U.K., Li L., Wu L., Bando Y., Golberg D. ZnS nanostructures: From synthesis to applications. Progress in Materials Science. 2011;56(2):175–287. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.10.001Fang X., Zhai T., Gautam U.K., Li L., Wu L., Bando Y., Golberg D. ZnS nanostructures: From synthesis to applications. Progress in Materials Science. 2011;56(2):175–287. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.10.001Kirovskaya I.A., Nor P.E., Ekkert A.O., Ekkert R.V., Cher­nous N.V. New materials based on the systems InP–CdTe and CdS–CdTe; Their comparative properties. Inorganic Mate­rials: Applied Research. 2023;14(4):1075–1081. https://doi.org/10.1134/s2075113323040214Kirovskaya I.A., Nor P.E., Ekkert A.O., Ekkert R.V., Cher­nous N.V. New materials based on the systems InP–CdTe and CdS–CdTe; Their comparative properties. Inorganic Mate­rials: Applied Research. 2023;14(4):1075–1081. https://doi.org/10.1134/s2075113323040214Peter Y.Yu., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors. Physics and Material Properties. Springer; 2010:775. https://doi.org/10.1007/978-3-642-00710-1Peter Y.Yu., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors. Physics and Material Properties. Springer; 2010:775. https://doi.org/10.1007/978-3-642-00710-1Kirovskaya I.A., Nor P.E., Bukashkina T.L., Mironova E.V. Surface properties of semiconductor analogs of CdBVI and their solid substitution solutions. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2016;90(3):522–529. https://doi.org/10.1134/S0036024416030213Kirovskaya I.A., Nor P.E., Bukashkina T.L., Mironova E.V. Surface properties of semiconductor analogs of CdBVI and their solid substitution solutions. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2016;90(3):522–529. https://doi.org/10.1134/S0036024416030213Кировская И.А. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных алмазоподобных полупроводников. Новосибирск: Изд-во СО РАН; 2015:368.Kirovskaya I.A. Physico-Chemical Properties of Binary and Multicomponent Diamond-Like Semiconductors. Novosibirsk: SB RAS; 2015:368. (In Russ.).Смыслов Е.Ф. Экспрессный рентгеновский метод определения периода решетки нанокристаллических мате­риалов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006;72(5):33–34.Smyslov E.F. Express X-ray method for determining the lattice period of nanocrystalline materials. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2006;72(5):33–34. (In Russ.).Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. Москва: Металлургия; 1970:366.Gorelik S.S., Rastorguev L.N., Skakov Yu.A. Radiographic and Electron-Optical Analysis. Moscow: Metallurgiya; 1970:366. (In Russ.).Федяева О.А., Васина М.В., Пошелюжная Е.Г. Рентгеновские и электронно-микроскопические исследования системы ZnTe–CdSe. Журнал неорганической химии. 2014;59(2):172–175. https://doi.org/10.7868/S0044457X14020068Fedyaeva O.A., Vasina M.V., Poshelyuzhnaya E.G. X-ray powder diffraction and electron microscopic studies of the ZnTe–CdSe system. Russian Journal of Inorganic Che­mistry. 2014;59(2):172–175. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0044457X14020068Кларк Э.Р., Эберхардт К.Н. Микроскопические мето­­ды исследования материалов. Москва: Техносфера; 2007:375.Clarke A.R., Eberhardt C.N. Microscopy Techniques for Materials Science. Elsevier; 2002:456.Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения / М.М. Криштал, И.С. Ясников, В.И. Полунин. Москва: Техносфера; 2009:206.Krishtal M.M., Yasnikov I.S., Polunin V.I. Scanning Electron Microscopy and X-ray Spectral Microanalysis in Practical Applications. Moscow: Technosfera; 2009:206. (In Russ.).Кировская И.А. Катализ. Полупроводниковые катализаторы. Омск: Изд-во ОмГТУ; 2004:272.Kirovskaya I.A. Catalysis. Semiconductor Catalysts. Omsk: OmSTU; 2004:272. (In Russ.).Charbonnier M., Murat M. Sur la détermination des diagrammes de phases à température ambiante des sulfures mixtes appartenant aux systèmes Zn-Cd-S, Zn-Hg-S, Cd-Hg-S. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. 1974;278(4):259–261. (In French).Charbonnier M., Murat M. Sur la détermination des diagrammes de phases à température ambiante des sulfures mixtes appartenant aux systèmes Zn-Cd-S, Zn-Hg-S, Cd-Hg-S. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. 1974;278(4):259–261. (In French).Cherin P., Lind E.L., Davis E.A. The preparation and crystallography of cadmium zinc sulfide solid solutions. Journal of the Electrochemical Society. 1970;117(2):233–236.Cherin P., Lind E.L., Davis E.A. The preparation and crystallography of cadmium zinc sulfide solid solutions. Journal of the Electrochemical Society. 1970;117(2):233–236.Кировская И.А., Васина М.В. Структура и кислотно-основные свойства поверхности полупроводников системы ZnTe–CdSe. Журнал физической химии. 2014;88(10): 1569–1576. https://doi.org/10.7868/S0044453714100227Kirovskaya I.A., Vasina M.V. Structure and acid-base pro­perties of the surface of semiconductors of the ZnTe–CdSe system. Zhurnal fizicheskoi khimii. 2014;88(10):1569–1576. (In Russ.). https://doi.org/10.7868/S0044453714100227Čapek R.K., Moreels I., Lambert K., De Muynck D., Zhao Q., Tomme A.V., Vanhaecke F., Hens Z. Optical pro­perties of zincblende cadmium selenide quantum dots. Journal of Physical Chemistry C. 2010;114(14):6371–6376. https://doi.org/10.1021/jp1001989Čapek R.K., Moreels I., Lambert K., De Muynck D., Zhao Q., Tomme A.V., Vanhaecke F., Hens Z. Optical pro­perties of zincblende cadmium selenide quantum dots. Journal of Physical Chemistry C. 2010;114(14):6371–6376. https://doi.org/10.1021/jp1001989Goldstein J.I., Newbury D.E., Echlin P., Joy D.C., Lyman C.E., Lifshin E., Sawyer L., Michael J.R. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York: Plenum Press; 2003:708. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0215-9Goldstein J.I., Newbury D.E., Echlin P., Joy D.C., Lyman C.E., Lifshin E., Sawyer L., Michael J.R. Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis. New York: Plenum Press; 2003:708. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0215-9Kirovskaya I.A., Ekkert R.V., Umansky I.Yu., Ekkert A.O., Kropotin O.V. Comparison of the bulk and surface properties of InBV–ZnS semiconductor solid solutions. Semiconductors. 2020;54(11):1459–1466. https://doi.org/10.1134/S1063782620110147Kirovskaya I.A., Ekkert R.V., Umansky I.Yu., Ekkert A.O., Kropotin O.V. Comparison of the bulk and surface properties of InBV–ZnS semiconductor solid solutions. Semiconductors. 2020;54(11):1459–1466. https://doi.org/10.1134/S1063782620110147Кировская И.А., Васина М.В., Миронова Е.В., Бруе­­ва О.Ю., Эккерт А.О., Жигарова О.Ю. Относительное влияние бинарных компонентов на объемные и поверхностные свойства твердых растворов систем GaAs–CdSe и ZnTe–CdSe. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021;(4):12–18. https://doi.org/10.31857/S1028096021040051Kirovskaya I.A., Vasina M.V., Mironova E.V., Brueva O.Yu., Ekkert A.O., Zhigarova O.Yu. Relative influence of binary components on the bulk and surface properties of GaAs–CdSe and ZnTe–CdSe solid solutions. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021;15(2): 321–326. (In Russ.). https://doi.org/10.1134/S1027451021020233Кировская И.А., Васина М.В., Юрьева А.В., Шалае­­ва М.Е., Еремин Е.Н., Матяш Ю.И., Корнеев С.А. Химический состав и кислотно-основные свойства поверх­ности твердых растворов (ZnTe)x(CdSe)1–x. Омский научный вестник. 2014;(1(127)):32–37.Kirovskaya I.A., Vasina M.V., Yuryeva A.V., Shalae­­va M.E., Eremin E.N., Matyash Yu.I., Korneev S.A. Chemical composition and acid-base surface properties of solid solutions (ZnTe)x(CdSe)1–x . Omsk Scientific Bulletin. 2014;(1(127)):32–37. (In Russ.).Aven M. Mobility of holes and interaction between acceptor defects in ZnTe. Journal of Applied Physics. 1967; 38(11):4421–4430. https://doi.org/10.1063/1.1709141Aven M. Mobility of holes and interaction between acceptor defects in ZnTe. Journal of Applied Physics. 1967; 38(11):4421–4430. https://doi.org/10.1063/1.1709141

The authors declare that there are no conflicts of interest present.