Biotemplate synthesis of In2O3-Pd for room temperature sensor of hydrogen

Алексей Владимирович Шапошник; Олеся Анатольевна Арефьева; Алексей Алексеевич Звягин; Николай Юрьевич Брежнев; Елена Анатольевна Высоцкая; Алексей Андреевич Васильев; Станислав Викторович Рябцев; Сергей Юрьевич Турищев

doi:10.17308/kcmf.2025.27/13328

Биотемплатный синтез In2O3-Pd для низкотемпературного сенсора водорода

Алексей Владимирович Шапошник ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1214-2730
Олеся Анатольевна Арефьева ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0000-9629-2615
Алексей Алексеевич Звягин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-9299-6639
Николай Юрьевич Брежнев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3287-8614
Елена Анатольевна Высоцкая ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0005-5992-7139
Алексей Андреевич Васильев ФГБОУ ВО «Университет «Дубна»», ул. Университетская, 19, Дубна 141982, Московская обл., Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-7416-1638
Станислав Викторович Рябцев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7635-8162
Сергей Юрьевич Турищев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3320-1979

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13328

Ключевые слова: металлоксидные сенсоры, биотемплатный синтез, водород, комнатная температура, оксид индия, палладий

Аннотация

Цель статьи: Решение актуальной задачи создания компактных газоанализаторов, способных к длительной автономной работе в труднодоступных местах, связано с разработкой сенсоров, имеющих сниженное энергопотребление. Целью данной работы явилось создание низкотемпературного сенсора водорода, поскольку именно нагрев сенсора вносит определяющий вклад в энергопотребление всего прибора.

Экспериментальная часть: Для решения поставленной задачи была разработана новая методика синтеза наноматериала на основе In2O3 с добавкой 3 % палладия, существенно отличающаяся от распространенных методов – золь-гель синтеза и гидротермального синтеза. Это было связано с тем, что при низких температурах сенсора важнейшее значение приобретает минимизация влияние влажности. Проведение синтеза в водной среде приводит к появлению на поверхности большого количества гидроксильных групп, притягивающих воду. В нашей работе наноматериал был изготовлен прокаливанием целлюлозного волокна, предварительно пропитанного раствором нитрата индия (+3) и нитрата тетраамминпалладия (+2). По данным рентгеновского фазового анализа, порошок, прокален-
ный при температуре 500 ºС, состоит преимущественно из триклинной фазы оксида индия (+3). По данным сканирующей электронной микроскопии, образцы во многом сохранили воспроизводимую характерную макроструктуру целлюлозного темплата. Электрофизические характеристики наноматериала, полученные при комнатной температуре, показали возможность определения водорода в воздухе. Предел обнаружения – менее 10 ppm.

Выводы: Чувствительность полученного нами сенсора водорода при комнатной температуре больше чувствительности сенсоров, описанными в других публикациях. Влияние влажности на показания сенсора сведено к минимуму.

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)

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

аспирант 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)

Николай Юрьевич Брежнев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет», ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация

к. х. н., старший преподаватель кафедры химии, 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., профессор кафедры процессов и аппаратов перерабатывающих производств, Воронежский государственный аграрный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Алексей Андреевич Васильев, ФГБОУ ВО «Университет «Дубна»», ул. Университетская, 19, Дубна 141982, Московская обл., Российская Федерация

д. т. н., заведующий лабораторией сенсорных систем Государственного университета «Дубна» (Дубна, Московская обл., Российская Федерация)

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

д. ф.-м. н., директор института физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Юрьевич Турищев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, заведующий кафедрой общей физики и физического материаловедения, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Kul O., Vasiliev A., Shaposhnik A. … Simonenko E. Novel screen-printed ceramic MEMS microhotplate for MOS sensors. Sensors and Actuators A: Physical. 2024;379(8): 115907. https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115907

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

Cai S., Huang X., Luo M. … Gao Z. High-performance ammonia sensor at room temperature based on 2D conductive MOF Cu3(HITP)2. Talanta. 2025;285(11): 127226 https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127226

Xue L., Zhang F., Dang J. … Wang Q. Roomtemperature NH3 sensor with ppb detection via AACVD of nanosphere WO3 on IO SnO2. Ceramics International. 2024;50(8): 47991–47999. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.146

Tripathi S., Singh S. P., Tripathi S., Kumar A., Chauhan P. γ-WO3 decorated MXene: an advanced nanomaterial for room temperature operable enhanced ammonia sensor. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2025;705(P1): 135538. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.135538

Zhao W., Yao G., Wu H. … Yu J. Chemiresistive room temperature H2S sensor based on CunO nanoflowers fabricated by laser ablation. Sensors and Actuators B: Chemical. 2025;423: 136732. https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136732

Huang C.-W., Wu C.-Y., Hsueh T.-J. Materials science in semiconductor processing a room temperature ZnO : Ga NWs & NSs / MEMS H2S gas sensor. Materials Science in Semiconductor Processing. 2025;187(11): 109149. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2024.109149

Bai H., Feng C., Chen Y. … Guo F. Chemiresistive room temperature H2S gas sensor based on MoO3 nanobelts decorated with MnO2 nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical. 2024;420(8): 136468. https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.136468

Hao X., Xing R. Fabrication of MoS2-Fe3O4 heterostructure as an ultrafast and high-sensitivity NO2 gas sensor at room temperature. Materials Letters. 2024;377(8): 4–7. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2024.137387

Ge C., Ni M., Liu S., … Liu J. A room-temperature NO2 gas sensor based on Zn2+ doped Cu2O/CuO composites with ultra-high response. Ceramics International. 2025;51 (2): 2194–2203. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.197

Guo Y.-Y., Zheng X.-H., Bo L.-B., Gu Z.-Q., Zhang C., Liu Y.-F. UV-activated gas sensor based on ordered mesoporous ZnO – TiO2 heterogeneous composites for trace NO2 detection at room temperature. Talanta. 2025;285(10): 127415. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2024.127415

Yang S., Chen G., Zheng F. … Zhang X. Pd-decorated PdO nanoparticle nanonetworks: a low-cost eye-readable H2 indicator with reactivation ability. Sensors and Actuators B: Chemical. 2022;368(5): 132242. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132242

Wang L., An F., Liu X., Zhang D., Yang Z. Preparation and hydrogen-sensitive property of WO3/graphene/Pd ternary composite. Chemosensors. 2023;11(7). https://doi.org/10.3390/chemosensors11070410

Mokrushin A. S., Nagornov I. A., Gorobtsov P. Y. … Kuznetsov N. T. Effect of Ti2CT x MXene oxidation on its gas-sensitive properties. Chemosensors. 2023;11(1): 13. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010013

Thathsara T, Harrison C. J., Hocking R. K., Shafiei M. Pd- and PdO-decorated TiO2 nanospheres: hydrogen sensing properties under visible light conditions at room temperature. Chemosensors. 2023;11(7): 409. https://doi.org/10.3390/chemosensors11070409

Kim S.-H., Yun K.-S. Room-temperature hydrogen gas sensor composed of palladium thin film deposited on NiCo2O4 nanoneedle forest. Sensors and Actuators B: Chemical. 2023;376(PA): 132958. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132958

Shrisha Wu, C.-M., Motora K. G., Chen G.-Y., Kuo D.‑H., Gultom N. S. Highly efficient reduced tungsten oxide-based hydrogen gas sensor at room temperature. Materials Science and Engineering: B. 2023;289: 116285. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2023.116285

Maji B., Barik B., Sahoo S. J., …Dash P. Shape selective comprehensive gas sensing study of different morphological manganese-cobalt oxide based nanocomposite as potential room temperature hydrogen gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2023;380: 133348. https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.133348

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 and Actuators B: Chemical. 2022;368: 132236. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132236

Peng X., Wang Z., Huang P., Chen X., Fu X., Dai W. Comparative study of two different TiO2 film sensors on response to H2 under UV light and room temperature. Sensors. 2016;16(8): 1249. https://doi.org/10.3390/s16081249

Artamonova O. V., Almjasheva O. V., Mittova I. Y., Gusarov V. V. Zirconia-based nanocrystals in the ZrO2 – In2O3 system. Inorganic Materials. 2006;42(10): 1178–1181. https://doi.org/10.1134/s0020168506100049

Artamonova O. V., Almyasheva O. V., Mittova I. Ya., Gusarov V. V. Sintering of nanopowders and properties of ceramics in the ZrO2 – In2O3 system*. Perspektivnye Materialy. 2009;1: 91–4. (in Russ). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=11779849

Meng F., Li M., Zhang R., Yuan Z. Room temperature n-butanol detection by Ag-modified In2O3 gas sensor with UV excitation. Ceramics International. 2025;51(2): 1764–1773. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.11.152

Roopa, Kumar Pradhan B., Kumar Mauraya A., Chatterjee K., Pal P., Kumar Muthusamy S. High-sensitive and fast-responsive In2O3 thin film sensors for dual detection of NO2 and H2S gases at room temperature. Applied Surface Science. 2024;678: 161111. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161111

Kahandal A., Chaudhary S., Methe S., Nagwade P., Sivaram A., Tagad C. K. Galactomannan polysaccharide as a biotemplate for the synthesis of zinc oxide nanoparticles with photocatalytic, antimicrobial and anticancer applications. nternational Journal of Biological Macromolecules. 2023;253(P3): 126787. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.126787

Yan S., Ma S., Xu X.,… Yang H. Synthesis and gas sensing application of porous CeO2-ZnO hollow fibers using cotton as biotemplates. Materials Letters. 2016;165: 9–13. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.11.095

Song B. Y., Huang J., Cui Z. Q. … Gao S. Temperaturecontrolled dual-selectivity nitric oxide/acetone sensor constructed from mesoporous SnO2 tubes doped by biomassderived graphitic carbon. Applied Surface Science. 2023;623(3): 157009. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157009

Shaposhnik A. V., Moskalev P. V., Arefieva O. A., Zvyagin A. A., Kul O. V., Vasiliev A. A. Selective determination of gydrogen in a mixture with methane using a single metal oxide sensor. International Journal of Hydrogen Energy. 2024; 82: 523–530. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.379

Опубликован

2025-12-25

Как цитировать

Шапошник, А. В., Арефьева , О. А., Звягин, А. А., Брежнев, Н. Ю., Высоцкая, Е. А., Васильев, А. А., Рябцев, С. В., & Турищев, С. Ю. (2025). Биотемплатный синтез In2O3-Pd для низкотемпературного сенсора водорода. Конденсированные среды и межфазные границы, 27(4), 689-695. https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13328

Выпуск

Том 27 № 4 (2025)

Раздел

Оригинальные статьи

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

Станислав Викторович Рябцев, Нина Юрьевна Обвинцева, Виктор Владимирович Чистяков, Азл А. К. Аль-Хабиб, Алексей Владимирович Шапошник, Сергей Юрьевич Турищев, Эвелина Павловна Домашевская, Особенности резистивного отклика на озон полупроводниковых сенсоров PdO, работающих в режиме термомодуляции , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 25 № 3 (2023)
Елена Владимировна Паринова, Сергей Сергеевич Антипов, Vladimir Sivakov, Евгений Александрович Беликов, Ольга Александровна Чувенкова, Юлия Сергеевна Какулия, Сергей Юрьевич Требунских, Кирилл Александрович Фатеев, Матвей Сергеевич Скоробогатов, Ратибор Григорьевич Чумаков, Алексей Михайлович Лебедев, Ольга Васильевна Путинцева, Валерий Григорьевич Артюхов, Сергей Юрьевич Турищев, Локализация молекул белка Dps E.coli в нитевидном кремнии при удалении остаточной соли , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 25 № 3 (2023)
Ольга Александровна Чувенкова, Николай Игоревич Бойков, Станислав Викторович Рябцев, Елена Владимировна Паринова, Ратибор Григорьевич Чумаков, Алексей Михайлович Лебедев, Дмитрий Смирнов, Анна Макарова, София Сергеевна Титова, Кирилл Александрович Фатеев, Сергей Юрьевич Турищев, Электронное строение и состав тонких эпитаксиальных и магнетронных слоев оксида олова по данным синхротронных XANES исследований , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 26 № 1 (2024)
Алексей Владимирович Шапошник, Алексей Алексеевич Звягин, Станислав Викторович Рябцев, Ольга Вячеславовна Дьяконова, Елена Анатольевна Высоцкая, Синтез и сенсорные свойства наноматериалов на основе оксида вольфрама (VI) , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 26 № 2 (2024)
Константин Александрович Барков, Владимир Андреевич Терехов, Дмитрий Николаевич Нестеров, Кирилл Евгеньевич Величко, Сергей Александрович Ивков, Никита Сергеевич Буйлов, Сергей Владимирович Канныкин, Игорь Евгеньевич Занин, Борис Львович Агапов, Сергей Владимирович Родивилов, Евгений Сергеевич Керсновский, Иван Васильевич Польшин, Станислав Викторович Рябцев, Маргарита Владимировна Гречкина, Александр Викторович Ситников, Формирование нанокристаллов серебра в композитных пленках Ag-Si, полученных ионно-лучевым распылением , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 26 № 3 (2024)
Ольга Александровна Чувенкова, Николай Игоревич Бойков, Станислав Викторович Рябцев, Елена Владимировна Паринова, Ратибор Григорьевич Чумаков, Алексей Михайлович Лебедев, Дмитрий Смирнов, Анна Макарова, София Сергеевна Титова, Кирилл Александрович Фатеев, Сергей Юрьевич Турищев, XPS исследования физико-химического состояния поверхности тонких эпитаксиальных и магнетронных слоев олова , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 26 № 3 (2024)
Максим Дмитриевич Манякин, Сергей Иванович Курганский, Юлия Сергеевна Какулия, София Сергеевна Титова, Ольга Александровна Чувенкова, Сергей Юрьевич Турищев, Теоретическое и экспериментальное исследование электронной структуры диоксида ниобия , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 27 № 1 (2025)
Дарья Андреевна Назаровская, Сергей Юрьевич Турищев, София Сергеевна Титова, Артур Анатольевич Шатов, Петр Алексеевич Тюрин-Кузьмин, Любовь Андреевна Осминкина, Фотолюминесцентные свойства наночастиц пористого кремния: синтез, характеризация и визуализация в клетках , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 27 № 3 (2025)
Николай Игоревич Бойков, Ольга Александровна Чувенкова, Елена Владимировна Паринова, Ратибор Григорьевич Чумаков, Алексей Михайлович Лебедев, Дмитрий Смирнов, Анна Макарова, София Сергеевна Титова, Кирилл Александрович Фатеев, Сергей Юрьевич Турищев, Синхротронные XANES исследования нанослоев эпитаксиальных твердых растворов олово-кремний , Конденсированные среды и межфазные границы: Том 27 № 3 (2025)