Газочувствительные композитные наноструктуры на основе оксида цинка для детектирования паров органических растворителей
С.С. Налимова1, З.В. Шомахов2, К.В. Герасимова1, К.Н. Пунегова1, А.М. Гукетлов2, Р.М. Калмыков2
1 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
2 ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.678
Оригинальная статья
Аннотация: В работе показаны возможности применения композитных структурZnO-Fe в качестве газочувствительных слоев для детектирования паров органических растворителей на примере изопропилового спирта. Композитные структуры получены на основе наностержней оксида цинка, синтезированных гидротермальным методом, за счет изменения их состава при выдержке в растворе сульфата железа. Исследование химического состава поверхности проводили с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Показано, что при использовании раствора сульфата железа с концентрацией 0,025 моль/л на поверхности наблюдаются атомы железа и цинка. Повышение концентрации раствора до 0,05 моль/л приводит к осаждению частиц оксида железа на поверхность слоя наностержней. Исследование газочувствительных характеристик проводили при температуре 250°С при воздействии паров изопропилового спирта в диапазоне концентраций от 200 до 1000 млн−1. Установлено, что величина отклика композитных структур ZnO-Fe (0,025) превышает соответствующее значение для наностержней оксида цинка, что может быть обусловлено большим содержанием кислородных вакансий в композитном образце.
Ключевые слова: оксид цинка, газовые сенсоры, композитные наноструктуры, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, органические растворители
- Налимова Светлана Сергеевна – к.ф.-м.н., доцент кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
- Шомахов Замир Валериевич – к.ф.-м.н., доцент кафедры электроники и информационных технологий, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
- Герасимова Ксения Валерьевна – студент 1 курса магистратуры кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
- Пунегова Ксения Николаевна – студент 2 курса магистратуры кафедры микро- и наноэлектроники, ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»
- Гукетлов Аслан Мухамедович – студент 4 курса Института информатики, электроники и робототехники, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
- Калмыков Рустам Мухамедович – к.ф.-м.н., доцент кафедры электроники и цифровых информационных технологий, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова»
Ссылка на статью:
Налимова, С.С. Газочувствительные композитные наноструктуры на основе оксида цинка для детектирования паров органических растворителей / С.С. Налимова, З.В. Шомахов, К.В. Герасимова, К.Н. Пунегова, А.М. Гукетлов, Р.М. Калмыков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2022. — Вып. 14. — С. 678-687. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.678.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Gardon, M. A review on fabrication, sensing mechanisms and performance of metal oxide gas sensors / M. Gardon, J.M. Guilemany // Journal of Material Science: Materials in Electronics. ‒ 2013. ‒ V. 24. ‒ I. 5. ‒ P. 1410–1421. DOI: 10.1007/s10854-012-0974-4.
2. Moshnikov, V.A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors / V.A. Moshnikov, I.E. Gracheva, V.V. Kuznezov et al. // Journal of Non-Crystalline Solids. ‒ 2010. ‒ V. 356. ‒ I. 37-40. ‒ P. 2020-2025. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.06.030.
3. Comini, E. Metal oxide nano-crystals for gas sensing / E. Comini // Analytica Chimica Acta. ‒ 2006. ‒ V. 568. ‒ I. 1-2. ‒ P. 28-40. DOI: 10.1016/j.aca.2005.10.069.
4. Jiang, B. Hierarchical mesoporous zinc oxide microspheres for ethanol gas sensor / B. Jiang, J. Lu, W. Han et al. // Sensors and Actuators: B. Chemical. ‒ 2022. ‒ V. 357. ‒ Art. № 131333. ‒ 11 p. DOI: 10.1016/j.snb.2021.131333.
5. Рябко, А.А. Сенсибилизация наностержней zno коллоидными квантовыми точками AgInS2 для адсорбционных газовых сенсоров с фотоактивацией / А.А. Рябко, С.С. Налимова, Д.С. Мазинг и др. // Журнал технической физики. ‒ 2022. ‒ Т. 92. ‒ Вып. 6. ‒ С. 845-851. DOI: 10.21883/JTF.2022.06.52514.15-22.
6. Bobkov, A. Impedance spectroscopy of hierarchical porous nanomaterials based on por-Si, por-Si incorporated by Ni and metal oxides for gas sensors / A. Bobkov, V. Luchinin, V. Moshnikov, S. Nalimova, Y. Spivak // Sensors. ‒ 2022. ‒ V. 22. ‒ I. 4. ‒ Art. № 1530 ‒ 14 p. DOI: 10.3390/s22041530.
7. Zhang, D. Metal-organic frameworks-derived hollow zinc oxide/cobalt oxide nanoheterostructure for highly sensitive acetone sensing / D. Zhang, Z. Yang, Z. Wu, G. Dong // Sensors and Actuators: B. Chemical. ‒ 2019. ‒ V. 283. ‒ P. 42-51. DOI: 10.1016/j.snb.2018.11.133.
8. Sun, S. W18O49/Ti3C2Tx Mxene nanocomposites for highly sensitive acetone gas sensor with low detection limit / S. Sun, M. Wang, X. Chang et al. // Sensors and Actuators: B. Chemical. ‒ 2020. ‒ V. 304. ‒ Art. № 127274. ‒ 12 p. DOI: 10.1016/j.snb.2019.127274.
9. Lee, J.E. ZnO–CuO Core-Hollow Cube Nanostructures for Highly Sensitive Acetone Gas Sensors at the ppb Level / J.E. Lee, C.K. Lim, H.J. Park et al. // ACS Applied Materials & Interfaces. ‒ 2020. ‒ V. 12. ‒ I. 31. ‒ P. 35688-35697. DOI: 10.1021/acsami.0c08593.
10. Wu, K. Synthesis and acetone sensing properties of ZnFe2O4/rGO gas sensors / K. Wu, Y. Luo, Y. Li, C. Zhang // The Beilstein Journal of Nanotechnology. ‒ 2019. ‒ V. 10. ‒ P. 2516-2526. DOI: 10.3762/bjnano.10.242.
11. Liu, X. Template-free synthesis of rGO decorated hollow Co3O4 nano/microspheres for ethanol gas sensor / X. Liu, J. Liu, Q. Liu et al. // Ceramics International. ‒ 2018. ‒ V. 44. ‒ I. 17. ‒ P. 21091-21098. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.08.146.
12. Yin, F. Sn3O4/rGO heterostructure as a material for formaldehyde gas sensor with a wide detecting range and low operating temperature / F. Yin, Y. Li, W. Yue et al. // Sensors and Actuators: B. Chemical. ‒ 2020. ‒V. 312. ‒ Art. № 127954. ‒ 10 p. DOI: 10.1016/j.snb.2020.127954.
13. Рябко, А.А. Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации / А.А. Рябко, А.А. Бобков, С.С. Налимова и др. // Журнал технической физики. ‒ 2022. ‒ Т. 92. ‒ Вып. 5. ‒ С. 758-764. DOI: 10.21883/JTF.2022.05.52382.314-21.
14. Рябко, А.А. Эффект интерфейсного легирования системы наностержней оксида цинка / А.А. Рябко, Д.С. Мазинг, А.А. Бобков и др. // Физика твердого тела. ‒ 2022. ‒ Т. 64. ‒ № 11. ‒ С. 1681-1689. DOI: 10.21883/FTT.2022.11.53320.408.
15. Anikina, M.A. Synthesis and study of zinc oxide nanorods for semiconductor adsorption gas sensors / M.A. Anikina, A.A. Ryabko, S.S. Nalimova, A.I. Maximov // Journal of Physics: Conference Series. ‒ 2021. ‒ V. 1851. ‒ Art. № 012010. – 5 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1851/1/012010.
16. Jing, L. The surface properties and photocatalytic activities of ZnO ultrafine particles / L. Jing, Z. Xu, X. Sun, J. Shang, W. Cai // Applied Surface Science. ‒ 2001. ‒ V. 180. ‒ I. 3-4. ‒ P. 308-314. DOI: 10.1016/S0169-4332(01)00365-8.
17. Xie, F. Highly sensitive electrochemical detection of Hg(II) promoted by oxygen vacancies of plasma-treated ZnO: XPS and DFT calculation analysis / F. Xie, M. Yang, Z.-Y. Song et al. // Electrochimica Acta. ‒ 2022. ‒ V. 426. ‒ Art. № 140757. ‒ 9 p. DOI: 10.1016/j.electacta.2022.140757.
18.Zhang, B. Visible light-induced room-temperature formaldehyde gas sensor based on porous three-dimensional ZnO nanorod clusters with rich oxygen vacancies / B. Zhang, J. Wang, Q. Wei et al. // ACS Omega. ‒ 2022. ‒ V. 7. ‒ I. 26. ‒ P. 22861-22871. DOI: 10.1021/acsomega.2c02613.