Газовые сенсоры на основе наноструктур двойных и тройных оксидных систем

Введение. Наноматериалы на основе бинарных и многокомпонентных оксидных систем представляют интерес для разработки катализаторов, фотокатализаторов, газовых сенсоров, солнечных элементов, а также во многих других областях. Для получения оксидных систем различного состава наиболее эффективными методами являются методы химического соосаждения, а также двухстадийные подходы.

Цель работы. Разработка сенсорных наноматериалов на основе ZnO, тройных оксидных наносистем Zn–Fe–O и Zn–Sn–O, а также разработка методов диагностики особенностей свойств этих материалов.

Материалы и методы. В данной статье методом химического соосаждения синтезированы нанопорошки ZnO и ZnFe₂O₄, а также получены наноструктуры ZnFe₂O₄ и Zn₂SnO₄ модифицированием наностержней ZnO. Химический состав и микроструктура поверхности исследованы с помощью растровой электронной микроскопии, дифракции обратнорассеянных электронов, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Проанализирован отклик образцов к парам органических растворителей.

Результаты. Обнаружено, что величина отклика образцов оксида цинка и цинкового феррита, полученных методом химического соосаждения, на 2–4 порядка больше, чем модифицированных наностержней оксида цинка. Формирование тройных оксидных наноструктур приводит к увеличению сенсорного отклика нано-стержней оксида цинка. Этот эффект объяснен образованием адсорбционных центров различного типа при формировании таких систем. Образцы, полученные химическим соосаждением, показали чрезвычайно высокий сенсорный отклик. Это может быть связано с формированием фрактальных структур со свойствами перколяционного кластера на границе порога протекания.

Заключение. Химическим соосаждением получены оксидные наноструктуры ZnO и ZnFe₂O₄, проявляющие очень высокий сенсорный отклик к парам ацетона и этанола. Разработаны способы формирования многокомпонентных оксидных систем, обладающих улучшенными сенсорными свойствами по сравнению с исходными наностержнями оксида цинка. Полученные сенсорные наноматериалы перспективны для использования в качестве чувствительных слоев газовых сенсоров для обнаружения паров органических растворителей.

1. Deep-Level Emission Tailoring in ZnO Nanostructures Grown via Hydrothermal Synthesis / S. A. Kadinskaya, V. M. Kondratev, I. K. Kindyushov, O. Yu. Koval, D. I. Yakubovsky, A. Kusnetsov, A. I. Lihachev, A. V. Nashchekin, I. Kh. Akopyan, A. Yu. Serov, M. E. Labzovskaya, S. V. Mikushev, B. V. Novikov, I. V. Shtrom, A. D. Bolshakov // Nanomaterials. 2023. Vol. 13. P. 58. doi: 10.3390/nano13010058

2. Amorphous Films of Ternary Zinc and Tin Oxides for Transparent Electronics / S. I. Rembeza, S. A. Belousov, N. N. Kosheleva, E. S. Rembeza, T. V. Svistova, E. Suvaci, E. Ozel, G. Tuncolu, C. Aciksari // Technical Physics Letters. 2018. Vol. 44, № 11. P. 984–987. doi: 10.1134/S1063785018110147

3. Comprehensive Review of One-Dimensional Metal-Oxide Nanostructure Photodetectors / T. Zhai, X. Fang, M. Liao, X. Xu, H. Zeng, B. Yoshio, D. A. Golberg // Sensors. 2009. Vol. 9. P. 6504–6529. doi: 10.3390/s90806504

4. Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang, D. Xiang, R. Gao // Sensors. 2010. Vol. 10, iss. 3. P. 2088–2106. doi: 10.3390/s100302088

5. Coral-like ZnFe2O4–ZnO mesoporous heterojunction architectures: synthesis and enhanced sensing properties for triethylamine / T. Yang, X. Yang, M. Zhu, H. Zhao, M. Zhang // Inorganic Chemistry Frontiers. 2020. Vol. 7, iss. 9. P. 1918–1926. doi: 10.1039/d0qi00134a

6. Inverted Configuration of Cu(In,Ga)S2/In2S3 on 3D-ZnO/ZnSnO3 Bilayer System for Highly Efficient Photoelectrochemical Water Splitting / C. T. Altaf, N. S. Sahsuvar, N. Abdullayeva, O. Coskun, A. Kumtepe, E. Karagoz, M. Sankir, N. D. Sankir // ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 2020. Vol. 8, iss. 40. P. 15209–15222. doi: 10.1021/acssuschemeng.0c04846

7. Preparation and Photovoltaic Evaluation of CuO@Zn(Al)O-Mixed Metal Oxides for Dye Sensitized Solar Cell / M. B. A. Bashir, A. H. Rajpar, E. Y. Salih, E. M. Ahmed // Nanomaterials. 2023. Vol. 13, iss. 5. P. 802. doi: 10.3390/nano13050802

8. Solar Cells Based on Complex Oxides / S. S. Kozlov, L. L. Larina, A. B. Nikolskaia, O. V. Almjasheva, O. V. Proskurina, O. I. Shevaleevskiy // Technical Physics Letters. 2021. Vol. 47. P. 283–286. doi: 10.1134/S1063785021030226

9. Highly dispersed Fe–Ce mixed oxide catalysts confined in mesochannels toward low-temperature oxidation of formaldehyde / J. Fan, X. Niu, W. Teng, P. Zhang, W.-X. Zhang, D. Zhao // J. of Materials Chemistry A. 2020. Vol. 8, iss. 33. P. 17174–17184. doi: 1039/D0TA05473A

10. Ni–Fe–Al mixed oxide for combined dry reforming and decomposition of methane with CO2 utilization / Y. Kim, H. S. Lim, M. Lee, J. W. Lee // Catalysis Today. 2021. Vol. 368. P. 86–95. doi: 10.1016/ j.cattod.2020.02.030

11. Ce–Fe–Mn ternary mixed-oxide catalysts for catalytic decomposition of ozone at ambient temperatures / X. Chen, Z. Zhao, S. Liu, J. Huang, J. Xie, Y. Zhou, Z. Pan, H. Lu // J. of Rare Earths. 2020. Vol. 38. P. 175–181. doi: 10.1016/j.jre.2019.01.010

12. MgFe and Mg–Co–Fe mixed oxides derived from hydrotalcites: Highly efficient catalysts for COx free hydrogen production from NH3 / S. Podila, H. Driss, S. F. Zaman, A. M. Ali, A. A. Al-Zahrani, M. A. Daous, L. A. Petrov// Intern. J. of Hydrogen Energy. 2020. Vol. 45, iss. 1. P. 873–890. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.10.107

13. Facile synthesis and characterization of novel Gd2O3–CdO binary mixed oxide nanocomposites of highly photocatalytic activity for wastewater remediation under solar illumination / A. M. Abu-Dief, A. A. Essawy, A. K. Diab, W. S. Mohamed // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2021. Vol. 148. P. 109666. doi: 10.1016/j.jpcs.2020.109666

14. Multi metal oxide NiO–CdO–ZnO nanocomposite–synthesis, structural, optical, electrical properties and enhanced sunlight driven photocatalytic activity / T. Munawar, F. Iqbal, S. Yasmeen, K. Mahmood, A. Hussain // Ceramics International. 2020. Vol. 46, iss. 2. P. 2421–2437. doi: 10.1016/j.ceramint.2019.09.236

15. Nanocomposite Co3O4–ZnO Thin Films for Photoconductivity Sensors / V. V. Petrov, V. V. Sysoev, I. O. Ignatieva, I. A. Gulyaeva, M. G. Volkova, A. P. Ivanishcheva, S. A. Khubezhov, Y. N. Varzarev, E. M. Bayan // Sensors. 2023. Vol. 23, № 12. P. 5617. doi: 10.3390/s23125617

16. Nalimova S. S., Kondratev V. M. Study of Surface Acid-Base Properties of Gas-Sensitive Metal Oxides // 2020 IEEE Conf. of Russ. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St Petersburg and Moscow, Russia, 27–30 Jan. 2020. IEEE, 2020. P. 987–990. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039264

17. Study of sensor properties of zinc oxide based nanostructures / S. S. Nalimova, V. M. Kondratev, A. A. Ryabko, A. I. Maksimov, V. A. Moshnikov // J. of Physics: Conf. Series. 2020. Vol. 1658. P. 012033. doi: 10.1088/1742-6596/1658/1/012033

18. Gopel W. Chemisorption and charge transfer at ionic semiconductor surfaces: Implications in designing gas sensors // Progress in Surface Science. 1985. Vol. 20. P. 9–103. doi: 10.1016/0079-6816(85)90004-8

19. Surface oxygen vacancies enriched FeOOH/Bi2MoO6 photocatalysisfenton synergy degradation of organic pollutants / J. Hu, J. Li, J. Cui, W. An, L. Liu, Y. Liang, W. Cui // J. of Hazardous Materials. 2020. Vol. 384. P. 121399. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121399

20. Structural, morphological and sensor properties of the fractal percolation nanosystem ZnO/NiO / A. Kornyushchenko, Y. Kosminska, S. Stas, G. Wilde, V. Perekrestov // J. of Electronic Materials. 2021. Vol. 50. P. 2268–2276. doi: 10.1007/s11664-021-08749-3

21. Sol-Gel-Prepared Ni–Mo–Mg–O System for Catalytic Transformation of Chlorinated Organic Wastes into Nanostructured Carbon / G. B. Veselov, T. M. Karnaukhov, Y. I. Bauman, I. V. Mishakov, A. A. Vedyagin // Materials. 2020. Vol. 13, iss. 19. P. 4404. doi: 10.3390/ma13194404

22. Иванов К. В., Плотвина А. В., Агафонов А. В. Влияние Fe3O4 на физико-химические и фотокаталитические свойства наноразмерного титаната бария // Журн. неорганической химии. 2023. Т. 68, № 1. С. 133–144. doi: 10.31857/S0044457X22601134

23. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors / V. A. Moshnikov, I. E. Gracheva, V. V. Kuznezov, A. I. Maximov, S. S. Karpova, A. A. Ponomareva // J. of NonCrystalline Solids. 2010. Vol. 356. P. 2020–2025. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.06.030

24. Hydrothermally synthesized UV light active zinc stannate:tin oxide (ZTO:SnO2) nanocomposite photocatalysts for photocatalytic applications / E. Keles, M. Yildirim, T. Ozturk, O. A. Yildirim // Materials Science in Semiconductor Processing. 2020. Vol. 110. P. 104959. doi: 10.1016/j.mssp.2020.104959

25. Бачина А. К., Альмяшева О. В., Попков В. И. Формирование ZrTiO4 в гидротермальных условиях // Журн. неорганической химии. 2022. Т. 67, № 6. С. 761–769. doi: 10.31857/S0044457X22060022

26. Shuklina A. I., Almjasheva O. V. Structure of Nanocomposites in the ZrO2–Y2O3–Al2O3 System and Their Formation under Hydrothermal Conditions // Russ. J. of Inorganic Chemistry. 2022. Vol. 67, № 6. P. 904–911. doi: 10.1134/S0036023622060201

27. Nanocrystalline complex oxides NixCo3–xO4: Cations distribution impact on electrical and gas sensor behavior / S. A. Vladimirova, K. Ya. Prikhodko, M. N. Rumyantseva, E. A. Konstantinova, A. S. Chizhov, N. O. Khmelevsky, A. M. Gaskov // J. of Alloys and Compounds. 2020. Vol. 828. P. 154420. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154420

28. Shams S., Sheibanizadeh Z., Khalaj Z. Ternary nanocomposite of ZnFe2O4/α-Fe2O3/ZnO; synthesis via coprecipitation method and physical properties characterization // Applied Physics A. 2021. Vol. 127. Art. num. 459. doi: 10.1007/s00339-021-04607-5

29. Optimization Preparation of Indium Tin Oxide Nanoparticles via Microemulsion Method Using Orthogonal Experiment / Z. Jiang, T. Liu, X. Zhai, J. Liu // Crystals. 2021. Vol. 11, iss. 11. P. 1387. doi: 10.3390/cryst11111387

30. Structural and Chemical Properties of ZnFe2O4 Nanoparticles Synthesised by Chemical Co-Precipitation Technique / D. D. Andhare, S. A. Jadhav, M. V. Khedkar, S. B. Somvanshi, S. D. More, K. M. Jadhav // J. of Physics: Conf. Series. 2020. Vol. 1644. P. 012014. doi: 10.1088/1742-6596/1644/1/012014

31. Size-controlled synthesis of porous ZnSnO3 nanocubes for improving formaldehyde gas sensitivity / J. Zheng, H. Hou, H. Fu, L. Gao, H. Liu // ACS Advances. 2021. Vol. 11, iss. 33. P. 20268–20277. doi: 10.1039/D1RA01852C

32. Choudhary S., Bisht A., Mohapatra S. Microwave-assisted synthesis of α-Fe2O3/ZnFe2O4/ZnO ternary hybrid nanostructures for photocatalytic applications // Ceramics Intern. 2021. Vol. 47. P. 3833–3841. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.09.243

33. An X-ray Photoelectron Spectroscopy Study of Zinc Stannate Layer Formation / S. S. Nalimova, Z. V. Shomakhov, V. A. Moshnikov, A. A. Bobkov, A. A. Ryabko, Z. Kh. Kalazhokov // Technical Physics. 2020. Vol. 65, № 7. P. 1087–1090. doi: 10.1134/S1063784220070142

34. 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 // Физикохимические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2022. № 14. С. 678–687. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.678

35. Rational design of ZnFe2O4/g-C3N4 nanocomposite for enhanced photo-Fenton reaction and supercapacitor performance / B. Palanivel, S. M. Perumal, T. Maiyalagan, V. Jayarman, C. Ayyappan, M. Alagiri // Applied Surface Science. 2019. Vol. 498. P. 143807. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.143807

36. Yamashita T., Hayes P. Analysis of XPS spectra of Fe2+ and Fe3+ ions in oxide materials // Applied Surface Science. 2008. Vol. 254. P. 2441–2449. doi: 10.1016/j.apsusc.2007.09.063

37. MOF-derived ZnFe2O4/(Fe–ZnO) nanocomposites with enhanced acetone sensing performance / E. Cao, Z. Guo, G. Song, Y. Zhang, W. Hao, L. Sun, Z. Nie // Sensors and Actuators B. 2020. Vol. 325. P. 128783. doi: 10.1016/j.snb.2020.128783

38. A comparative study on the VOCs gas sensing properties of Zn2SnO4 nanoparticles, hollow cubes, and hollow octahedra towards exhaled breath analysis / N. H. Hanh, T. M. Ngoc, L. V. Duy, C. M. Hung, N. V. Duy, N. D. Hoa // Sensors and Actuators B. 2021. Vol. 343. P. 130147. doi: 10.1016/j.snb.2021.130147

39. Formation of the ZnFe2O4 phase in an electric arc furnace off-gas treatment system / T. Suetens, M. Guo, K. Van Acker, B. Blanpain // J. of Hazardous Materials. 2015. Vol. 287. P. 180–187. doi: 10.1016/j.jhazmat.2015.01.050

40. Changes in the Energy of Surface Adsorption Sites of ZnO Doped with Sn / Z. V. Shomakhov, S. S. Nalimova, V. M. Kondratev, A. I. Maksimov, A. A. Ryabko, V. A. Moshnikov, O. A. Molokanov // J. of Surface Investigation. 2023. Vol. 17, № 4. P. 898–902. doi: 10.1134/S1027451023040316

41. Mandelbrot B. B., Given J. A. Physical Properties of a New Fractal Model of Percolation Clusters // Physical Review Letters. 1984. Vol. 52. P. 1853. doi: 10.1103/PhysRevLett.52.1853

42. Moshnikov V. A., Nalimova S. S., Seleznev B. I. Gas-sensitive layers based on fractal-percolation structures // Semiconductors. 2014. Vol. 48. P. 1499–1503. doi: 10.1134/S1063782614110177