Semiconductor metal oxide sensor for hydrogen sulphide operating under non-stationary temperature conditions

Алексей Владимирович Шапошник; Алексей Алексеевич Звягин; Ольга Вячеславовна Дьяконова; Станислав Викторович Рябцев; Диана Гхариб

doi:10.17308/kcmf.2021.23/3684

Алексей Владимирович Шапошник Воронежский государственный аграрный университет, ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1214-2730
Алексей Алексеевич Звягин Воронежский государственный аграрный университет, ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация http://orcid.org/0000-0002-9299-6639
Ольга Вячеславовна Дьяконова Воронежский государственный аграрный университет, ул. Мичурина, 1, Воронеж 394087, Российская Федерация
Станислав Викторович Рябцев Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7635-8162
Диана Гхариб Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-8794-2791

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3684

Ключевые слова: металлоксидные сенсоры, селективность, чувствительность, температурная модуляция

Аннотация

Целью работы явилось создание селективного газового сенсора сероводорода. В результате добавления аммиака к раствору ацетата цинка, центрифугирования полученного гидроксида цинка и последующего прокаливания был получен полидисперсный порошок оксида цинка с размером зерен 5–50 нм. Материал был охарактеризован с помощью рентгеновского фазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. В дальнейшем к нанопорошку оксида цинка были добавлены нитрат серебра и терпениол для образования пасты. Газочувствительный материал был получен нанесением полученной пасты на специальную диэлектрическую подложку и последующим прокаливанием, в результате чего терпениол выгорел, а нитрат серебра превратился в оксид (массовая доля серебра составила 3 %). Был подобран нестационарный температурный режим работы сенсора, при котором после быстрого нагрева сенсора до 450 °С (2 секунды) происходило медленное (13 секунд) охлаждение до 100 °С. Каждый последующий цикл нагрев-охлаждение с общим периодом 15 секунд начинался сразу после окончания предыдущего цикла. Использование нестационарного температурного режима в сочетании с подбором состава газочувствительного слоя позволило для концентрации сероводорода 1 ppm получить отклик 200. Наряду с повышением чувствительности наблюдалось также значительное повышение селективности. Перекрестная чувствительность при определении сероводорода и других газов-восстановителей (CO, NH₃, H₂) составила более трех порядков. Таким образом, данный сенсор может быть использован для определения сероводорода даже в присутствии мешающих компонентов. Применение высокоселективных сенсоров в задачах качественного и количественного анализа позволяет значительно облегчить калибровку по сравнению с приборами типа «электронный нос». Приборы на основе высокоселективных сенсоров не требуют использования математических методов обработки массивов многомерных данных.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

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

д. х. н., профессор кафедры химии, Воронежский государственный аграрный университет, Воронеж, Российская Федерация; e-mail: a.v.shaposhnik@gmail.com

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

к. х. н., доцент кафедры химии, Воронежский государственный аграрный университет, Воронеж, Российская Федерация; e-mail: a.a.zviagin@rambler.ru

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

к. х. н., Воронежский государственный аграрный университет,
Воронеж, Российская Федерация; e-mail: dyakol@yandex.ru

Станислав Викторович Рябцев, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., заведующий лабораторией, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация; e-mail: raybtsev@niif.vsu.ru

Диана Гхариб, Воронежский государственный университет, Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

аспирант, Воронежский государственный университет, Воронеж, Российская Федерация; e-mail: raybtsev@niif.vsu.ru

Литература

Yamazoe N. New approaches for improving semiconductor gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 1991; 5 (1–4): 7–19. https://doi.org/10.1016/0925-4005(91)80213-4

Maekawa T., Tamaki J., Miura N., Yamazoe N. Sensing behavior of CuO-loaded SnO2 element for H2S detection. Chemistry Letters. 1991;20(4): 575–578. https://doi.org/10.1246/cl.1991.575

Tamaki J., Maekawa T., Miura N., Yamazoe, N. CuO-SnO2 element for highly sensitive and selective detection of H2S. Sensors and Actuators B: Chemical. 1992;9(3): 197–203. https://doi.org/10.1016/0925-4005(92)80216-k

Choi S.-W., Zhang J., Akash K., Kim S. S. H2S sensing performance of electrospun CuO-loaded SnO2 nanofibers. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;169: 54–60. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.02.054

Zhao Y., He X., Li J., Gao X., Jia J. Porous CuO/SnO2 compositenanofibersfabricated by electrospinning and their H2S sensing properties. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;165(1): 82–87. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.02.020

Shao F., Hoffmann M. W. G., Prades J. D., Zamani R., Arbiol J., Morante J. R., … Hernández- Ramírez F. Heterostructured p-CuO (nanoparticle)/n-SnO2 (nanowire) devices for selective H2S detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2013;181: 130–135. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.01.067

Hwang I.-S., Choi J.-K., Kim S.-J., Dong K.-Y., Kwon J.-H., Ju B.-K., Lee J.-H. Enhanced H2S sensing characteristics of SnO2 nanowires functionalized with CuO. Sensors and Actuators B: Chemical. 2009;142(1): 105–110. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.07.052

Katti V. R., Debnath A. K., Muthe K. P., Kaur M., Dua A. K., Gadkari S. C., … Sahni V. C. Mechanism of drifts in H2S sensing properties of SnO2:CuO composite thin film sensors prepared by thermal evaporation. Sensors and Actuators B: Chemical. 2003; 96(1–2): 245–252. https://doi.org/10.1016/s0925-4005(03)00532-x

Choi K.-I., Kim H.-J., Kang Y. C., Lee J.-H. Ultraselective and ultrasensitive detection of H2S in highly humid atmosphere using CuO-loaded SnO2 hollow spheres for real-time diagnosis of halitosis. Sensors and Actuators B: Chemical. 2014;194: 371–376. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.12.111

Verma M. K., Gupta V. A highly sensitive SnO2- CuO multilayered sensor structure for detection of H2S gas. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;166–167: 378–385. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.02.076

Vasiliev R. B., Rumyantseva M. N., Podguzova S. E., Ryzhikov A. S., Ryabova L. I., Gaskov A. M. Effect of interdiffusion on electrical and gas sensor properties of CuO/SnO2 heterostructure. Materials Science and Engineering: B. 1999;57(3): 241–246. https://doi.org/10.1016/s0921-5107(98)00432-2

Vasiliev R., Rumyantseva M., Yakovlev N., Gaskov A. CuO/SnO2 thin film heterostructures as chemical sensors to H2S. Sensors and Actuators B: Chemical. 1998;50(3): 186–193. https://doi.org/10.1016/s0925-4005(98)00235-4

Malyshev V. V., Pislyakov A. V. SnO2-based thick-film-resistive sensor for H2S detection in the concentration range of 1-10 mg m-3. Sensors and Actuators B: Chemical. 1998;47(1–3): 181–188.

https://doi.org/10.1016/S0925-4005(98)00021-5

Lantto V., Mizsei J. H2S monitoring as an air pollutant with silver-doped SnO2 thin-film sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 1991;5(1–4): 21–25. https://doi.org/10.1016/0925-4005(91)80214-5

Harkoma-Mattila A., Rantala T. S., Lantto V., Leppävuori, S. Sensitivity and selectivity of doped SnO2 thick-film sensors to H2S in the constant- and pulsedtemperature modes. Sensors and Actuators B: Chemical. 1992;6(1–3): 248–252. https://doi.org/10.1016/0925-4005(92)80063-4

Gong J., Chen Q., Lian M.-R., Liu N.-C., Stevenson R. G., Adami F. Micromachined nanocrystalline silver doped SnO2 H2S sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2006;114(1): 32–39. https://doi.org/10.1016/j.snb.2005.04.035

Ngoc T. M., Duy N. V., Hung C. M., Hoa N. D., Nguyen H., Tonezzer M., Hieu N. V. Self-heated Agdecorated SnO2 nanowires with low power consumption used as a predictive virtual multisensor for H2Sselective sensing. Analytica Chimica Acta. 2019;1069: 108–116. https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.04.020

Kolhe P. S., Koinkar P. M., Maiti N., Sonawane K. M. Synthesis of Ag doped SnO2 thin films for the evaluation of H2S gas sensing properties. Physica B: Condensed Matter. 2017;524: 90–96. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.07.056

Song B.-Y., Zhang M., Teng Y., Zhang X.-F., Deng Z.-P., Huo L.-H., Gao S. Highly selective ppb-level H2S sensor for spendable detection of exhaled biomarker and pork freshness at low temperature: Mesoporous SnO2 hierarchical architectures derived from waste scallion root. Sensors and Actuators B: Chemical. 2020;307: 127662. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.127662

Sberveglieri G., Groppelli S., Nelli P., Perego C., Valdré G., Camanzi A. Detection of sub-ppm H2S oncentrations by means of SnO2(Pt) thin films, grown by the RGTO technique. Sensors and Actuators B: Chemical. 1993;15(1–3): 86–89. https://doi.org/10.1016/0925-4005(93)85032-6

Keshtkar S., Rashidi A., Kooti M., Askarieh M., Pourhashem S., Ghasemy E., Izadi N. A novel highly sensitive and selective H2S gas sensor at low temperatures based on SnO2 quantum dots-C60 nanohybrid: Experimental and theory study. Talanta. 2018;88: 531–539. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.05.099

Hu X., Zhu Z., Chen C., Wen T., Zhao X., Xie L. Highly sensitive H2S gas sensors based on Pd-doped CuO nanoflowers with low operating temperature. Sensors and Actuators B: Chemical. 2017;253: 809–817. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.06.183

Hu Q., Zhang W., Wang X., Wang Q., Huang B., Li Y., … Zhang Z. Binder-free CuO nanoneedle arrays based tube-type sensor for H2S gas sensing. Sensors and Actuators B: Chemical. 2021;326: 128993. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128993

Diao K., Zhou M., Zhang J., Tang Y., Wang S., Cui X. High response to H2S gas with facile synthesized hierarchical ZnO microstructures. Sensors and Actuators B: Chemical. 2015;219: 30–37. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.04.116

Kim S.-J., Na C. W., Hwang I.-S., Lee J.-H. Onepot hydrothermal synthesis of CuO-ZnO composite hollow spheres for selective H2S detection. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012;168: 83–89. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.01.045

Na H.-B., Zhang X.-F., Zhang M., Deng Z.-P., Cheng X.-L., Huo L.-H., Gao S. A fast response/recovery ppb-level H2S gas sensor based on porous CuO/ZnO heterostructural tubule via confined effect of absorbent cotton. Sensors and Actuators B: Chemical. 2019;297: 126816. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.126816

Wang L., Kang Y., Wang Y., Zhu B., Zhang S., Huang W., Wang S. CuO nanoparticle decorated ZnO nanorod sensor for low-temperature H 2S detection. Mater. Sci. Eng. C. 2012;32(7): 2079–2085. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.05.042

Shewale P. S., Yun K. S. Synthesis and characterization of Cu-doped ZnO/RGO nanocomposites for room-temperature H2S gas sensor. Journal of Alloys and Compounds. 2020;837: 155527. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155527

Wang X., Li S., Xie L., Li X., Lin D., Zhu Z. Lowtemperature and highly sensitivity H2S gas sensor based on ZnO/CuO composite derived from bimetal metal-organic frameworks. Ceramics International. 2020;46(10): 15858–15866. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.03.133

Balouria V., Kumar A., Samanta S., Singh A., Debnath A. K., Mahajan A., … Gupta S. K. Nanocrystalline Fe2O3 thin films for ppm level detection of H2S. Sensors and Actuators B: Chemical. 2013;181: 471–478. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.02.013

Natkaeo A., Phokharatkul D., Hodak J. H., Wisitsoraat A., Hodak S. K. Highly selective sub– 10 ppm H2S gas sensors based on Ag-doped CaCu3Ti4O12 films. Sensors and Actuators B: Chemical. 2018;260: 571–580. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.12.134

Liang X., Kim T.-H., Yoon J.-W., Kwak C.-H., Lee J.-H. Ultrasensitive and ultraselective detection of H2S using electrospun CuO-loaded In2O3 nanofiber sensors assisted by pulse heating. Sensors and Actuators B: Chemical. 2015;209: 934–942. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.11.130

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