Synthesis and sensory properties of tungsten (VI) oxide-based nanomaterials

Алексей Владимирович Шапошник; Алексей Алексеевич Звягин; Станислав Викторович Рябцев; Ольга Вячеславовна Дьяконова; Елена Анатольевна Высоцкая

doi:10.17308/kcmf.2024.26/11946

Алексей Владимирович Шапошник ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1214-2730
Алексей Алексеевич Звягин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-9299-6639
Станислав Викторович Рябцев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7635-8162
Ольга Вячеславовна Дьяконова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация
Елена Анатольевна Высоцкая ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11946

Ключевые слова: металлоксидные сенсоры, чувствительность, температурная модуляция

Аннотация

Целью работы явилась разработка методики синтеза наномерных материалов на основе WO₃, их характеризация и исследование сенсорных свойств.

Нанопорошок был изготовлен при медленном добавлении азотной кислоты к водному раствору паравольфрамата аммония (NH₄)₁₀W₂₁O₄₁·xH₂O с последующим центрифугированием, высушиванием и прокаливанием. Методом просвечивающей электронной микроскопии установлен размер зерен триоксида вольфрама, который составил 10-20 нм. По данным рентгеновского фазового анализа порошок, прокаленный при температуре 500 °С, состоит преимущественно из триклинной фазы. В дальнейшем к нанопорошку WO₃ был добавлены нитрат диамминпалладия (II) и терпениол для образования пасты. Полученная паста была нанесена на специальную диэлектрическую подложку и прокалена до температуры 750 °С, в результате чего был получен хрупкий гель на основе триоксида
вольфрама. Массовая доля палладия в хрупком геле составила 3 %. Сенсорные свойства полученного газочувствительного материала были исследованы при стационарном (300 °С) и нестационарном температурном режиме работы сенсора (быстрый нагрев до 450 °С и медленное охлаждение до 100 °С).

Показано резкое увеличение чувствительности сенсора на основе триоксида вольфрама при использовании нестационарного температурного режима в зависимости от состава газочувствительного слоя

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алексей Владимирович Шапошник, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

д. х. н., профессор кафедры химии, Воронежский государственный аграрный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Алексей Алексеевич Звягин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

к. х. н., доцент кафедры химии, Воронежский государственный аграрный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Станислав Викторович Рябцев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., заведующий лабораторией, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Ольга Вячеславовна Дьяконова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

к. х. н., Воронежский государственный аграрный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Елена Анатольевна Высоцкая, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

д. б. н., декан факультета технологии и товароведения Воронежский государственный аграрный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Tesfamichael T., Ponzoni A., Ahsan M., Faglia G. Gas sensing characteristics of Fe-doped tungsten oxide thin films. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;168(2): 345–353. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.04.032

Tesfamichael T., Ahsan M., Notarianni M., … Bell J. Gas sensing of ruthenium implanted tungsten oxide thin films. Thin Solid Films. 2014;558: 416–422. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.02.084

Zhang X., Dong B., Liu W., … Song H. Higly sensitive and selective acetone sensor based on threedimensional ordered WO3/Au nanocomposite with enhanced performance. Sensors Actuators, B Chemical. 2020;320(4): 128405. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128405

Li H., Wu C.-H., Liu Y.-C., … Wu R.-J. Mesoporous WO3-TiO2 heterojunction for a hydrogen gas sensor. Sensors Actuators, B Chemical. 2021;341(2): 130035. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130035

Nakate U. T., Yu Y. T., Park S. High performance acetaldehyde gas sensor based on p-n heterojunction interface of NiO nanosheets and WO3 nanorods. Sensors Actuators, B Chemical. 2021;344(5): 130264. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130264

Shaposhnik A. V., Shaposhnik D. A., Turishchev S. Y., … Morante J. R. Gas sensing properties of individual SnO2 nanowires and SnO2 sol-gel nanocomposites. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2019;10: 1380–1390. https://doi.org/10.3762/bjnano.10.136

Fan L., Xu N., Chen H., Zhou J., Deng S. A millisecond response and microwatt powerconsumption gas sensor: Realization based on crossstacked individual Pt-coated WO3 nanorods. Sensors Actuators B Chemical. 2021;346(2): 130545. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130545

Mineo G., Moulaee K., Neri G., Mirabella S., Bruno E. H2 detection mechanism in chemoresistive sensor based on low-cost synthesized WO3 nanorods. Sensors Actuators B Chemical. 2021;348: 130704. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130704

Hu Y., Li T., Zhang J., Guo J., Wang W., Zhang D. High-sensitive NO2 sensor based on p-NiCo2O4/n-WO3 heterojunctions. Sensors Actuators B Chemical. 2022;352(P2): 130912. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130912

Karpe S. B., Bang A. D., Adhyapak D. P., Adhyapak P. V. Fabrication of high sensitive proto-type NOx sensor based on Pd nanoparticles loaded on WO3. Sensors Actuators B Chemical. 2022;354: 131203. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.131203

Yao G., Yu J., Wu H., … Tang Z. P-type Sb doping hierarchical WO3 microspheres for superior close to room temperature ammonia sensor. Sensors Actuators B Chemical. 2022;359: 131365. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131365

Hu J., Xiong X., Guan W., Long H., Zhang L., Wang H. Self-templated flower-like WO3-In2O3 hollow microspheres for conductometric acetone sensors. Sensors Actuators B Chemical. 2022;361(10): 131705. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131705

Sen S., Maity S., Kundu S. Fabrication of Fe doped reduced graphene oxide (rGO) decorated WO3 based low temperature ppm level acetone sensor: Unveiling sensing mechanism by impedance spectroscopy. Sensors Actuators B Chemical. 2022;361(3): 131706. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131706

Wang X., Han W., Yang J., … Lu G. Conductometric ppb-level triethylamine sensor based on macroporous WO3-W18O49 heterostructures functionalized with carbon layers and PdO nanoparticles. Sensors Actuators B Chem. 2022;361(1): 131707. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131707

Liu Y., Li X., Li X., … Liu Y. Highly permeable WO3/CuWO4 heterostructure with 3D hierarchical porous structure for high-sensitive room-temperature visible-light driven gas sensor. Sensors Actuators B Chemical. 2022;365(4): 131926. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131926

Lee J., Kim S. Y., Yoo H. S., Lee W. Pd-WO3 chemiresistive sensor with reinforced self-assembly for hydrogen detection at room temperature. Sensors Actuators B Chemical. 2022;368(6): 132236. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132236

Zhang Y., Wu C., Xiao B., … Lin H. ChemoresistiveNO2 sensor using La-doped WO3 nanoparticles synthesized by flame spray pyrolysis. Sensors Actuators B Chemical. 2022;369:(2): 132247. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132247

He M., Xie L., Zhao X., Hu X., Li S., Zhu Z.-G. Highly sensitive and selective H2S gas sensors based on flower-like WO3/CuO composites operating at low/ room temperature. Journal of Alloys and Compounds. 2019;788: 36–43. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.349

Marikutsa A., Yang L., Kuznetsov A. N., Rumyantseva M., Gaskov A. Effect of W–O bonding on gas sensitivity of nanocrystalline Bi2WO6 and WO3. Journal of Alloys and Compounds. 2021;856: 158159. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158159

Duong V. T., Nguyen C. T., Luong H. B., Nguyen D. C., Nguyen H. L. Ultralow-detection limit ammonia gas sensors at room temperature based on MWCNT/WO3 nanocomposite and effect of humidity. Solid State Sciences. 2021;113(11): 106534. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2021.106534

Zhang C., Wu K., Liao H., Debliquy M. Room temperature WO3-Bi2WO6 sensors based on hierarchical microflowers for ppb-level H2S detection. Chemical Engineering Journal. 2022;430(P2): 132813. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132813

Hwan Cho S., Min Suh J., Jeong B., … Won Jang H. Fast responding and highly reversible gasochromic H2 sensor using Pd-decorated amorphous WO3 thin films. Chemical Engineering Journal. 2022;446(P1): 136862. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136862

Kumaresan M., Venkatachalam M., Saroja M., Gowthaman P. TiO2 nanofibers decorated with monodispersed WO3 heterostruture sensors for high gas sensing performance towards H2 gas. Inorganic Chemistry Communications. 2021;129(2): 108663. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2021.108663

Chen L., Zhang Y., Sun B., … Tian C. Surface modification of WO3 nanoparticles with Pt and Ru for VOCs sensors. Chinese Journal of Analytical Chemistry. 2022: 100143. https://doi.org/10.1016/j.cjac.2022.100143

Hu J., Xiong X., Guan W., Long H. Designed construction of PdO@WO3 core–shell architecture as a high-performance acetone sensor. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021;9(6): 106852. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.106852

Sensor electronics, sensors: solid state sensors on silicon: a study guide for students of higher education institutions / E. P. Domashevskaya [et al.]; edited by A. M. Hoviv. Moscow: Yurayt Publishing House, 2020. 203 p. (in Russ). Available at: https://urait.ru/bcode/518779

Siciliano T., Tepore A., Micocci G., Serra A., Manno D., Filippo E. WO3 gas sensors prepared by thermal oxidization of tungsten. Sensors and Actuators B: Chemical. 2008;133(1): 321–326. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.02.028

Vallejos S., Khatko V., Calderer J., … Correig X. Micro-machined WO3-based sensors selective to oxidizing gases. Sensors and Actuators B: Chemical. 2008;132(1): 209–215. https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.01.044

Zhang C., Boudiba A., Navio C., … Debliquy M. Highly sensitive hydrogen sensors based on cosputtered platinum-activated tungsten oxide films. International Journal of Hydrogen Energy. 2010;36(1): 1107–1114. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.10.011

Yakovlev P. V., Shaposhnik A. V., Voishchev V. S., Kotov V. V., Ryabtsev S. V. Determination of gases using polymer-coated semiconductor sensors. Journal of Analytical Chemistry. 2002;57(3): 276–279. https://doi.org/10.1023/A:1014412919822

Shaposhnik A. V., Moskalev P. V., Zviagin A. A., … Vasiliev A. A. Selective determination of hydrogen sulfide using SnO2–Ag sensor working in nonstationary temperature regime. Chemosensors. 2021; 9(8): 203. https://doi.org/10.3390/chemosensors9080203

Shaposhnik A., Zvyagin А., Vasiliev A., Ryabtsev S., Shaposhnik D., Nazarenko I., Buslov V. Optimal temperature regimes of semiconductor sensors determination. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy. 2008;8(3): 501–506. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11928774

Shaposhnik A., Moskalev P., Sizask E., Ryabtsev S., Vasiliev A. Selective detection of hydrogen sulfide and ethane by a single MOX-sensor. Sensors (Switzerland). 2019;19(5): 1135. https://doi.org/10.3390/s19051135