Гидротермальный синтез и сенсорные свойства гидроксостанната цинка

Введение. В настоящее время актуальной задачей в области газовой сенсорики является улучшение характеристик (сенсорный отклик и быстродействие), а также снижение рабочих температур. Для этих целей исследуются многокомпонентные оксидные системы. Одними из наиболее перспективных материалов являются различные модификации системы Zn–Sn–O.
Цель работы. Разработка методик гидротермального синтеза наночастиц гидроксостанната цинка, отличающихся используемыми прекурсорами. На основе синтезированных наночастиц сформированы и протестированы активные слои газовых сенсоров.
Материалы и методы. Наночастицы гидроксостанната цинка получены гидротермальным синтезом в течение 6 часов при 90 °С. Были выбраны две методики с использованием различных прекурсоров. Полученные образцы проанализированы с помощью растровой электронной микроскопии, рентгеновского фазового анализа, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. По результатам спектрофотометрии определена ширина запрещенной зоны образцов. Газочувствительные свойства исследованы при различных условиях (целевой газ, температура, дополнительное воздействие УФ-излучения).
Результаты. Комплексное исследование синтезированных структур показало, что в зависимости от используемой методики получения характер их взаимодействия с целевыми газами является принципиально разным. Так, образцы ZnSn(OH)6_1 проявляют отклик при комнатной температуре и обладают высоким быстродействием. Это связано с тем, что на их поверхности преобладают ионы цинка. Для образцов ZnSn(OH)6_2, на поверхности которых преобладают ионы олова, окруженные ОН-группами, отклик при комнатной температуре возможен только с дополнительной активацией УФ-излучением. При этом время отклика и время восстановления составляют порядка сотен секунд.
Заключение. В статье продемонстрированы возможности использования наночастиц гидроксостанната цинка, полученных гидротермальным методом, для газовых сенсоров, работающих при комнатной температуре. При этом решающим фактором является выбор методики синтеза.

1. Gas sensors and factors influencing sensing mechanism with a special focus on MOS sensors / D. Y. Nadargi, A. Umar, J. D. Nadargi, S. A. Lokare, S. Akbar, I. S. Mulla, S. S. Suryavanshi, N. L. Bhandari, M. G. Chaskar // J. of Materials Science. 2023. Vol. 58, № 2. P. 559–582. doi: 10.1007/s10853-022-08072-0

2. Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang, D. Xiang, R. Gao // Sensors. 2010. Vol. 10, № 3. P. 2088−2106. doi: 10.3390/s100302088

3. Dey A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review // Materials Science and Engineering: B. 2018. Vol. 229. P. 206−217. doi: 10.1016/j.mseb.2017.12.036

4. Das S., Jayaraman V. SnO2: A comprehensive review on structures and gas sensors // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 66. P. 112−255. doi: 10.1016/j.pmatsci.2014.06.003

5. Zhu L., Zeng W. Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: A review // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 267. P. 242−261. doi: 10.1016/j.sna.2017.10.021

6. Архитектоника покрытий из наностержней оксида цинка для адсорбционных газовых сенсоров / А. А. Рябко, С. С. Налимова, Н. В. Пермяков, А. А. Бобков, А. И. Максимов, В. М. Кондратьев, К. П. Котляр, М. К. Овезов, А. С. Комолов, Э. Ф. Лазнева, В. А. Мошников, А. Н. Алешин // Журн. техн. физики. 2023. Т. 93, № 10. С. 1494−1502. doi: 10.61011/JTF.2023.10.56288.148-23

7. Газовые сенсоры на основе наноструктур двойных и тройных оксидных систем / С. С. Налимова, В. А. Мошников, З. В. Шомахов, В. М. Кондратьев // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2024. Т. 27, № 2. С. 105−118. doi: 10.32603/1993-8985-2024-27-2-105-118

8. Улучшение сенсорных характеристик бинарных и тройных оксидных наносистем / З. В. Шомахов, С. С. Налимова, А. А. Рыбина, С. С. Бузовкин, З. Х. Калажоков, В. А. Мошников // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 879−887. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.879

9. Nalimova S., Shomakhov Z. V., Moshnikov V. A. Binary and Ternary Oxide Nanostructured Multisystems for Gas Sensors // Engineering Proceedings. 2023. Vol. 48, iss. 1. Art. № 47. doi: 10.3390/CSAC2023-14880

10. Газочувствительность наноструктурированных покрытий на основе наностержней оксида цинка при комбинированной активации / А. А. Рябко, А. А. Бобков, С. С. Налимова, А. И. Максимов, В. С. Левицкий, В. А. Мошников, Е. И. Теруков // Журн. техн. физики. 2022. Т. 92, № 5. С. 758−764. doi: 10.21883/JTF.2022.05.52382.314-21

11. Cовременное состояние исследований в области синтеза и применения станната цинка / С. С. Налимова, А. И. Максимов, Л. Б. Матюшкин, В. А. Мошников // Физика и химия стекла. 2019. Т. 45, № 4. С. 311−325. doi: 10.1134/S0132665119040097

12. Continuously improved gas-sensing performance of Zn2SnO4 porous octahedrons by structure evolution and further ZnSnO3 nanosheets decoration / Z. Li, Y. Xiong, D. Bi, Q. Liu, C. Yang, J. Zhang // J. of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 901. Art. № 163744. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.163744

13. Application of ZnSn(OH)6-based nanomaterials in environmental photocatalysis / B. Chen, P. Ouyang, Y. Li, Y. Duan, F. Dong // Chemical Industry and Engineering Progress. 2023. Vol. 42, iss. 2. P. 756−764. doi: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0646

14. Enhanced photocatalytic activity of cubic ZnSn(OH)6 by in-situ partial phase transformation via rapid thermal annealing / J. S. Kim, N. Kumar, U. Jung, J. Park, Mu. Naushad // Chemosphere. 2023. Vol. 331. Art. № 138780. doi: 10.1016/j.chemosphere.2023.138780

15. Paul S., Barman S., Datta A. Zn-based oxide perovskite nanocomposites for energy and sensing applications // J. of Materials Science. 2024. Vol. 59. P. 17968–17990. doi: 10.1007/s10853-024-09765-4

16. Comprehensive review of micro/nanostructured ZnSnO3: characteristics, synthesis, and diverse applications / M. Rahman, M. S. Bashar, Md. L. Rahman, F. I. Chowdhury // RSC Advances. 2023. Vol. 13. P. 30798−30837. doi: 10.1039/d3ra05481k

17. Sun S., Liang S. Morphological zinc stannate: synthesis, fundamental properties and applications // J. of Materials Chemistry A. 2017. Vol. 5, iss. 39. P. 20534−20560. doi: 10.1039/C7TA06221D

18. Рид Р. Г., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 592 c.

19. Спиваковский В. Б. Аналитическая химия олова. М.: Наука, 1975. 252 с.

20. Hydroxide ZnSn(OH)6: a promising new photocatalyst for benzene degradation / X. Fu, X. Wang, Z. Ding, D. Y. C. Leung, Z. Zhang, J. Long, W. Zhang, Z. Li, X. Fu // Appl. Catalysis B: Environmental. 2009. Vol. 91, № 1. P. 67−72. doi: 10.1016/j.apcatb.2009.05.007

21. Effects of pH value and hydrothermal treatment on the microstructure and natural-sunlight photocatalytic performance of ZnSn(OH)6 photocatalyst / S. Dong, L. Xia, F. Zhang, F. Li, Y. Wang, L. Cui, J. Feng, J. Sun // J. of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 810. Art. № 151955. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.151955

22. Structural inheritance and change from ZnSn(OH)6 to ZnSnO3 compounds used for ethanol sensors: Effects of oxygen vacancies, temperature and UV on gas-sensing properties / X. Wang, X. Zhu, T. Tao, B. Leng, W. Xu, L. Mao // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 829. Art. № 154445. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154445

23. ZnSn(OH)6 Photocatalyst for Methylene Blue Degradation: Electrolyte-Dependent Morphology and Performance / Z. Ren, D. Zhou, L. Zhang, M. Yu, Z. Wang, Y. Fan, D. Zhang, Q. Zhang, J. Xie // ChemistrySelect. 2018. Vol. 3, iss. 39. P. 10849–10856. doi: 10.1002/slct.201802195

24. Revealing DeNOx and DeVOC Reactions via the Study of the Surface and Bandstructure of ZnSn(OH)6 Photocatalysts / M.-T. Pham, H.-H. Tran, T.-M. T. Nguyen, D.-P. Bui, Y. Huang, J. Cao, S.-J. You, P. V. Viet, V. H. Nam, Y.-F. Wang // Acta Materialia. 2021. Vol. 215, № 4. Art. № 117068. doi: 10.1016/j.actamat.2021.117068