Одноэлектродные газовые сенсоры на основе композита In2O3/графен

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Золь–гель-методом получены композиты оксида индия с графеном In2O3/Gr (содержание добавки графена 2.0 и 4.0 мас. %). Исследованы микроструктура и газочувствительные свойства полученных материалов (в составе одноэлектродных керамических сенсоров). Композит представляет собой гетерогенную систему, в состав которой входят отдельные фазы In2O3 с размерами кристаллитов 7‒12 нм и фаза графена. Микроструктура композита зависит от способа получения. Сенсоры на основе In2O3/Gr характеризуются более высокой чувствительностью к восстановительным (CH4) и окислительным (NO2) газам по сравнению с сенсорами на основе In2O3, а также имеют меньшее время срабатывания и восстановления. Причинами повышения газовой чувствительности могут быть образование пространственно разделенных положительно и отрицательно заряженных областей, приводящее к перераспределению концентрации электронов в отдельных фазах, а также повышенная дефектность фаз оксида индия и графена в композите, высокая удельная поверхность графена.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. С. Гайдук

Белорусский государственный университет

Author for correspondence.
Email: haidukys@bsu.by
Belarus, Минск

И. А. Таратын

Белорусский национальный технический университет

Email: haidukys@bsu.by
Belarus, Минск

А. Е. Усенко

Белорусский государственный университет

Email: haidukys@bsu.by
Belarus, Минск

Д. В. Ивашенко

Белорусский государственный университет

Email: haidukys@bsu.by
Belarus, Минск

В. В. Паньков

Белорусский государственный университет

Email: haidukys@bsu.by
Belarus, Минск

References

  1. Korotcenkov G. Practical Aspects in Design of One-Electrode Semiconductor Gas Sensors: Status Report // Sens. Actuators, B. 2007. V. 121. № 2. P. 664–678. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.04.092
  2. Schedin F., Geim A.K., Morozov S.V., Hill E. W., Blake P., Katsnelson M.I., Novoselov K.S. Detection of Individual Gas Molecules Adsorbed on Graphene // Nature Mater. 2007. V. 6. № 10. P. 652–655. https://doi.org/10.1038/nmat1967
  3. Dutta D., Hazra A., Hazra S.K., Das J., Bhattacharyya S., Sarkar C.K., Basu S. Performance of a CVD Grown Graphene-based Planar Device for a Hydrogen Gas Sensor // Meas. Sci. Technol. 2015. V. 26. № 11. P. 115104. https://doi.org/10.1088/0957-0233/26/11/115104
  4. Yavari F., Castillo E., Gullapalli H., Ajayan P.M., Koratkar N. High Sensitivity Detection of NO2 and NH3 in Air Using Chemical Vapor Deposition Grown Graphene // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. № 20. P. 203120. https://doi.org/10.1063/1.4720074
  5. Yu K., Wang P., Lu G., Chen K.H., Bo Zh., Chen J. Patterning Vertically Oriented Graphene Sheets for Nanodevice Applications // J. Phys. Chem. Lett. 2011. V. 2. № 6. P. 537–542. https://doi.org/10.1021/jz200087w
  6. Dai J., Yuan J., Giannozzi P. Gas Adsorption on Graphene Doped with B, N, Al, and S: A Theoretical Study // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. № 23. P. 232105. https://doi.org/10.1063/1.3272008
  7. Ricciardella F., Vollebregt S., Polichetti T., Miscuglio M., Alfano B., Miglietta M., Massera E., Di Francia G., Sarro P. Effects of Graphene Defects on Gas Sensing Properties towards NO2 Detection // Nanoscale. 2017. V. 9. № 18. P. 6085–6093. https://doi.org/10.1039/c7nr01120b
  8. Salehi-Khojin A., Estrada D., Lin K., Bae M., Xiong F., Pop E., Masel R. Polycrystalline Graphene Ribbons as Chemiresistors // Adv. Mater. 2011. V. 24. № 1. P. 53–57. https://doi.org/10.1002/adma.201102663
  9. Zou Y., Wang Q., Xiang C., Tang Ch., Chu H., Qui Sh., Yan E., Xu F., Sun L. Doping Composite of Polyaniline and Reduced Graphene Oxide with Palladium Nanoparticles for Room-Temperature Hydrogen-Gas Sensing // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. № 11. P. 5396–5404. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2016.02.023
  10. Simon I., Haiduk Y., Mülhaupt R., Pankov V., Janiak Ch. Selected Gas Response Measurements Using Reduced Graphene Oxide Decorated with Nickel Nanoparticles // Nano Mater. Sci. 2021. V. 3. № 4. P. 412–419. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.03.004
  11. Kim H.W., Kwon Y.J., Mirzaei A., Kang S.Y., Choi M.S., Bang J.H., Kim S.S. Synthesis of Zinc Oxide Semiconductors-Graphene Nanocomposites by Microwave Irradiation for Application to Gas Sensors // Sens. Actuators, B. 2017. V. 249. P. 590–601. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2017.03.149
  12. Bhati V.S., Ranwa S., Rajamani S., Kumari K., Raliya R., Biswas P., Kumar M. Improved Sensitivity with Low Limit of Detection of Hydrogen Gas Sensor Based on rGO Loaded Ni Doped ZnO Nanostructures // Nanostruct. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. V. 10. № 13. P. 11116–11124. https://doi.org/10.1021/acsami.7b17877
  13. Zhang Z., Zou R., Song G., Yu L., Chen Z., Hu J. Highly Aligned SnO2 Nanorods on Graphene Sheets for Gas Sensors // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. № 43. P. 17360–17365. https://doi.org/10.1039/C1JM12987B
  14. Majhi S.M., Mirzaei A., Kim H.W., Kim S.S. Reduced Graphene Oxide (rGO)-Loaded Metal-Oxide Nanofiber Gas Sensors: An Overview // Sensors. 2021. V. 21. № 4. Р.1352. https://doi.org/10.3390/s21041352
  15. Barsan N., Koziej D., Weimar U. Metal Oxide-Based Gas Sensor Research: How to? Sensors and Actuators B: Chemical // Sens. Аctuators, B. 2007. V. 121. № 1. P. 18–35. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.09.047
  16. Fine G.F., Cavanagh L.M., Afonja A., Binions R. Metal Oxide Semi-conductor Gas Sensors in Environmental Monitoring // Sensors. 2010. V. 10. № 6. P. 5469–5502. https://doi.org/10.3390/s100605469
  17. Kumar R., Al-Dossary O., Kumar G., Umar A. Zinc Oxide Nanostructures for NO2 Gas–Sensor Applications: A Review // Nano-Micro Lett. 2015. V. 7. № 2. P. 97–120. https://doi.org/10.1007/s40820-014-0023-3
  18. Gurlo A., Bârsan N., Ivanovskaya M., Weimar U., Göpel W. In2O3 and MoO3–In2O3 Thin Film Semiconductor Sensors: Interaction with NO2 and O3 // Sens. Actuators, B. 1998. V. 47. № 1‒3. P. 92–99. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(98)00033-1
  19. Qurashi A., El-Maghraby E.M., Yamazaki T., Kikuta T. Catalyst Supported Growth of In2O3 Nanostructures and Their Hydrogen Gas Sensing Properties // Sens. Actuators, B. 2010. V. 147. № 1. P. 48–54. https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.03.024
  20. Chu D., Zeng Y.-P., Jiang D., Masuda Y. In2O3–SnO2 Nano-Toasts аnd Nanorods: Precipitation Preparation, Formation Mechanism, and Gas Sensitive Properties // Sens. Actuators, B. 2009. V. 137. № 2. P. 630636. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.12.063
  21. Yoon H.J., Jun D.H., Yang J.H., Yang X., Zhou Z., Yang S.S., Cheng M.M.C. Carbon Dioxide Gas Sensor Using a Graphene Sheet // Sens. Actuators, B. 2011. V. 157. № 1. P. 310–313. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.03.035
  22. Sun D., Luo Y., Debliquy M., Zhang C. Graphene-Enhanced Metal Oxide Gas Sensors at Room Temperature: A Review // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. № 1. P. 2832–2844. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.264
  23. Han M., Liu W., Qu Y., Du L., Wei H. Graphene Oxide–SnO2 Nanocomposite: Synthesis, Characterization, and Enhanced Gas Sensing Properties // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2017. V. 28. № 22. P. 1697316980. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7619-6
  24. Haiduk Y., Khort A., Lapitskaya V., Kuznetsova T., Moskovskikh D., Savitsky A., Lapchuk N., Makhavikou M., Pankov V. WO3–Graphene–Cu Nanocomposites for CO, NO2 and Acetone Gas Sensors // Nano-Struct. Nano-Objects. 2022. V. 29. P. 100824. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2021.100824
  25. Yamazoe N. New Approaches to Improvement Semiconducting Gas Sensors // Sens. Actuators, B. 1991. V. 5. № 1–4. P. 7–19. https://doi.org/10.1016/0925-4005(91)80213-4
  26. Fine G.F., Cavandagh L.M., Afonja A., Binions R. Metal Oxide Semi-conductor Gas Sensors in Enviromental Monitoring // Sensors. 2010. V. 10. № 6. P. 54695502. https://doi.org/10.3390/s100605469
  27. Yamazoe N., Shimanoe K. Theory of Power Laws for Semiconductor Gas Sensors // Sens. Actuators, B. 2008. V. 128. № 2. P. 566573. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2007.07.036
  28. Korotcenkov G., Cho B.K. Instability of Metal Oxide-based Conductometric Gas Sensors and Approaches to Stability Improvement (Short Survey) // Sens. Actuators, B. 2011. V. 156. № 2. P. 527–538. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2011.02.024
  29. Yang W., Wan P., Zhou X., Hu J., Guan Y., Feng L. Additive-Free Synthesis of In2O3 Cubes Embedded into Graphene Sheets and Their Enhanced NO2 Sensing Performance at Room Temperature // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. № 23. P. 21093–21100. https://doi.org/10.1021/am505949a
  30. Choi M.S., Mirzaei A., Bang J.H., Oum W., Kim S.S., Kim H.W. Improvement of NO2 Sensing Properties in Pd Functionalized Reduced Graphene Oxides by Electron-Beam Irradiation // Front. Mater. 2019. V. 6. Article P. 197. https://doi.org/10.3389/fmats.2019.00197
  31. Гайдук Ю.С., Усенко А.Е., Рутковская Л.С., Голодок Р.П., Тимоненкова А.С., Паньков В.В. Композиция оксида индия с графеном, полученная золь-гель методом, и одноэлектродные газовые сенсоры на ее основе // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 1. С. 145–154. https://doi.org/10.31857/S0044457X22601365
  32. Новиков В.П., Кирик С.А. Низкотемпературный способ получения графена // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. Вып. 12. С. 4446. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/12591. Дата доступа: 15.01.2023.
  33. Marezio M. Refinement of the Crystal Structure of In2O3 at Two Wavelengths // Acta Crystallogr. 1966. V. 20. № 6. P. 723–728. https://doi.org/10.1107/S0365110X66001749
  34. Khan M., Khan W., Ahamed M., AlSalhi M., Ahmed T. Crystallite Structural, Electrical and Luminescent Characteristics of Thin Films of In2O3 Nanocubes Synthesized by Spray Pyrolysis // Electron. Mater. Lett. 2013. V. 9. № 1. P. 5357. https://doi.org/10.1007/s13391-012-2088-9
  35. Ivanovskaya M.I., Ovodok E.A., Kotsikau D.A. Sol–Gel Synthesis and Features of the Structure of Au–In2O3 Nanocomposites // Glass Phys. Chem. 2011. V. 37. № 5. P. 560‒567. https://doi.org/10.1134/S1087659611050051
  36. Sobotta H., Neumann H., Kiin G., Riede V. Infrared Lattice Vibrations of In2O3 // Cryst. Res. Technol. 1990. V. 25. № 1. P. 61‒64. https://doi.org/10.1002/crat.2170250112
  37. Liu Y., Ma X., Wang Sh., Gong J. The Nature of Surface Acidity and Reactivity of MoO3/SiO2 and MoO3/TiO2–SiO2 for Transesterification of Dimethyl Oxalate with Phenol: A Comparative Investigation // Appl. Catal., B. 2007. V. 77. № 12. P. 125‒134. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2007.07.011
  38. Wall M. The Raman Spectroscopy of Graphene and the Determination of Layer Thickness // Thermo Fisher Scientific. 2011. https://www.researchgate.net/publication/368591264_The_Raman_Spectroscopy_of_Graphene_and_the_Determination_of_Layer_Thickness Дата доступа: 28.10.2022.
  39. Мычко Д.И., Лычковский Ю.Н., Каркоцкий Г.Ф., Боборико Н.Е. Свиридовские чтения: Сб. ст. Вып. 4. Минск: БГУ, 2008. https://elib.bsu.by/handle/123456789/20740
  40. Malchenko S.N., Lychkovsky Y.N., Baykov M.V. In2O3-based Gas Sensors // Sens. Actuators, B. 1993. V. 13. № 1–3. P. 159161. https://doi.org/10.1016/0925-4005(93)85350-j
  41. Румянцева М.И., Макеева Е.А., Гаськов А.М. Влияние микроструктуры полупроводниковых сенсорных материалов на хемосорбцию кислорода на их поверхности // Рос. хим. журн. 2008. Т. 52. № 2. С. 122–129.
  42. Zhang H., Feng J.C., Fei T., Liu S., Zhang T. SnO2 Nanoparticles-Reduced Graphene Oxide Nanocomposites for NO2 Sensing at Low Operating Temperature // Sens. Actuators, B. 2014. V. 190. P. 472‒478. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.08.067
  43. Yuan W.J., Liu A.R., Huang L., Li Ch., Shi G. High-Performance NO2 Sensors Based on Chemically Modified Graphene // Adv. Mater. 2013. V. 25. № 5. P. 766‒771. https://doi.org/10.1002/adma.201203172
  44. Jie X., Zeng D., Zhang J., Xu K., Wu J., Zhu B., Xie Ch. Graphene-wrapped WO3 Nanospheres with Room-Temperature NO2 Sensing Induced by Interface Charge Transfer // Sens. Actuators, B. 2015. V. 220. P. 201‒209. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.05.047
  45. Qi P., Wang Z., Wang R., Xu Y., Zhang T. Studies on QCM-type NO2 Gas Sensor Based on Graphene Composites at Room Temperature // Chem. Res. Chin. Univ. 2016. V. 32. № 6. P. 924928. https://doi.org/10.1007/s40242-016-6129-z

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Conversion of sensor operating current to the temperature of the sensing element (IR pyrometry)

Download (106KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffractograms of indium oxide composites with graphene

Download (214KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. IR spectra of indium oxide composites with graphene

Download (212KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. XRD spectra of indium oxide composites with graphene

Download (434KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Images of composites of indium oxide with graphene obtained with a CPC spectrometer: a - 2 wt% graphene, 550 °C; b - 4.0 wt% graphene, 550 °C

Download (85KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the sensor response on the operating current: a - 5000 ppm CH4 in air; b - 10000 and 21000 ppm CH4 in air; c - 15.2 ppm NO2 in air

Download (675KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences