home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Een zeer gevoelige en kamertemperatuur CNTs/SnO2/CuO-sensor voor H2S-gasdetectietoepassingen

Abstract

Gassensoren op basis van composietfilms van tindioxide-koolstof nanobuisjes werden vervaardigd met een eenvoudige goedkope sol-gel spincoatingmethode met PEG400 als oplosmiddel. Nanogestructureerd koper werd gecoat op CNT's/SnO2 film en vervolgens werd koper bij 250°C omgezet in koperoxide. De soortelijke weerstand van de uiteindelijke composietfilms is zeer gevoelig voor de aanwezigheid van H2 S, die bij kamertemperatuur gemakkelijk werd vastgemaakt of losgemaakt. De respons- en hersteltijd van de sensor zijn 4 min en 10 min, en de gevoeligheidswaarde is respectievelijk 4,41. Ondertussen zijn de CNT's/SnO2 /CuO-sensor heeft ook een lage detectielimiet, hoge selectiviteit naar H2 S en stabiele prestaties met verschillende concentraties H2 S.

Inleiding

Met de ontwikkeling van de industrialisatie wordt emissievervuiling steeds ernstiger, daarom zijn verschillende soorten gassensoren uitgebreid bestudeerd [1,2,3,4,5,6,7]. SnO2 als een n-type en milieuvriendelijke halfgeleider is door veel verschillende onderzoekers bestudeerd [8,9,10,11]. Het kan worden beschouwd als een uitstekend gasgevoelig materiaal dat veel wordt gebruikt voor het ontwikkelen van gassensoren vanwege zijn vermogen om moleculen in de gasfase te absorberen. Het mechanisme van gasdetectie is de verandering van materiaalgeleiding veroorzaakt door de omkeerbare interactie tussen gas en vaste stof op het oppervlak van tindioxide [12]. Er zijn enkele methoden die zijn toegepast om de prestaties van SnO2 . te verbeteren gassensor, inclusief doping met metaaloxide (bijv. TiO2 , La2 O3 ) [13, 14], katalytisch actieve additieven (bijv. Pt, Pd en Au) [9, 15,16,17,18], en toevoeging van grafeen- en koolstofnanobuisjes [8, 19, 20]. Het heeft toepassingen in milieuproblemen en industriële gasmonitoringkwesties, zoals SO2 [21], CO [20, 22], NEE2 [23], en H2 S [24, 25], die een grote zorg vertegenwoordigen voor de veiligheid van het milieu.

Waterstofsulfide is een kleurloos, giftig gas. Er zijn veel bronnen van waterstofsulfide, meestal als een product van het natuurlijke ontbindingsproces van bepaalde chemische reacties en eiwitten en sommige onzuiverheden die voorkomen in verschillende soorten productieprocessen, zoals de mijnbouw en het smelten van non-ferrometalen, zwavel-olie-exploratie , rubber- en suikerindustrie, opgraving van cokeskolen bij lage temperatuur en behandeling van moerassen, kanalen en riolen. Waterstofsulfide is een schadelijk gas voor de menselijke gezondheid [26,27,28,29,30,31]. Zelfs lage concentraties waterstofsulfide kunnen het menselijke reukvermogen beschadigen. Hoge concentraties waterstofsulfide kunnen de reukzenuwen verlammen [30, 32]. Omdat een manier om het gas met de neus te detecteren dodelijk is, is de detectie van waterstofsulfide noodzakelijk.

Studies tonen aan dat koolstofnanobuisjes (CNT's) goede kandidaten zijn als potentiële "doteringsmiddelen" van SnO2 [19, 33]. CNT's hebben een groot oppervlak en zijn gemakkelijk voor moleculaire adsorptie [34]. En CNT's kunnen ook de elektrostatische omgeving van de ladingsoverdracht van het materiaal beïnvloeden, waardoor de prestaties van SnO2 worden verbeterd. sensoren.

Gassensoren gebaseerd op SnO2 is aangetoond dat het stikstofdioxide, koolmonoxide, vloeibaar petroleumgas [35], vluchtige organische verbindingen en andere gassen en dampen detecteert. Om echter redelijke reacties te verkrijgen, moeten de bedrijfstemperaturen van deze sensoren conventioneel boven 200 °C liggen. Bij kamertemperatuur zijn er nauwelijks redelijke reacties. Frank et al. [19] ontwikkel een gassensor voor H2 S bij kamertemperatuur met composietfilms van tindioxide-koolstof nanobuisjes. Hoewel de respons- en hersteltijd van de gassensor veel kort is, is de gevoeligheid laag.

In dit artikel wordt een nieuwe gassensor op basis van koolstofnanobuisjes-tindioxide (CNTs/SnO2 ) composietfilms met nano-koperoxide zijn met succes gesynthetiseerd. De sensor kan H2 . detecteren S met lage concentratie met een responstijd tot tientallen seconden. Het belangrijkste is dat de gevoeligheid bij kamertemperatuur veel hoger is dan bij andere gassensoren.

Experimentele sectie

Materialen en methoden

De CNT werd gekocht van Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd., Chinese Academie van Wetenschappen. We behandelden koolstofnanobuisjes voor verzuring met een volumeverhouding van 3:1 geconcentreerd zwavelzuur en geconcentreerd salpeterzuur. Ten eerste de SnCl4, als grondstof voor de SnO2 door sol-gel, werd opgelost in de EG bij een temperatuur van 80°C onder magnetisch roeren. De CNT werd toegevoegd aan de bovenstaande oplossing en gedurende 3 uur magnetisch geroerd bij 80°C. Later was de temperatuur tot 120 °C voor een hydrolysereactie van ongeveer 3 h. Daarna werd de PEG-400 onder magnetisch roeren aan de oplossing toegevoegd om het verkrijgen van oppervlaktefilms gemakkelijk te maken. De spincoatingmethode is gebruikt om de composietoppervlakfilms in silicasubstraten te vormen. We gebruikten een buisoven voor een verwarmingsbehandeling bij 450 °C gedurende een uur van de spincoatingfilms die de CNT's/SnO2 moeten vormen. samengestelde films. Daarna werd nanogestructureerd koper van ongeveer 6 nm op de composietfilms gecoat met een vacuümverdampingsmethode met een stroomsterkte van 23 en een verdampingssnelheid van 2 / s. Vervolgens werd koper gedurende ongeveer 2 uur bij 250°C omgezet in koperoxide. Ten slotte hebben we vacuümverdamping gebruikt om de gouden interdigitale elektroden te vormen. Het monster van de sensor wordt weergegeven in Afb. 1. We hebben ons ook voorbereid op SnO2 en SnO2 /CuO nanocomposiet op dezelfde manier voor de vergelijking.

Schema's van a bovenaanzicht van gassensor en b stereogram van gassensor

Gasdetectieprocedure

Figuur 2 toont het systeem voor gasdetectie en stikstof werd gebruikt als draaggas. De oorspronkelijke concentratie van H2 S is 1000 ppm. De vereiste testconcentratie werd verkregen door het mengsel van draaggas en analytgas, zodat het vereiste ppm-niveau kan worden bereikt. De concentratie van analytgas werd nauwkeurig geregeld door digitale stroommeters die de stroomsnelheid van dragergas en analytgas regelden. Het handhaaft een stroomsnelheid van 400 sccm wanneer het gas door de testkamer gaat. En de stroomsnelheden van dragergas en analyt werden gewijzigd om de benodigde concentratie te krijgen door de digitale stroommeters. De standaard van gastesten werd uitgevoerd bij kamertemperatuur, atmosferische druk en een stikstofgasatmosfeer met een verwaarloosbare relatieve vochtigheid.

De opstelling die wordt gebruikt voor gasdetectie

De sensor werd bewaard in de testkamer die gemaakt was door Teflon. De testkamer bestaat uit vier extractie-elektroden, gastoegang en luchtweg. Het kan over vier sensormonsters in de testkamer worden geplaatst, zodat we vier sensoren tegelijkertijd kunnen testen. De Keithley 2700 werd toegepast om de verandering van de weerstand van de sensoren te detecteren. Communiceren met de computer via software, de real-time gegevens worden direct op de computer weergegeven.

De weerstand van de sensoren kan in realtime worden verkregen van Keithley 2700. De curve van de verandering van de weerstand kan worden verkregen en weergegeven op het computerscherm. Hieronder volgen de formules voor gasrespons en gevoeligheid.

$$ \mathrm{Sensitivity}=\frac{R_a-{R}_c}{\Delta C}=\frac{\Delta R}{\Delta C} $$ (1) $$ \mathrm{Response}=\ frac{R_a-{R}_c}{R_c}=\frac{\Delta R}{R_c} $$ (2)

waar R c vertegenwoordigt de weerstand van het apparaat in een draaggas van zuiver N2 , R een is de weerstand van het mengsel van draaggas en analytgas, en ∆C is respectievelijk de verandering van de analytgasconcentratie.

Resultaten en discussie

FESEM werd uitgevoerd om de morfologische kenmerken van monsters te verkrijgen, zoals weergegeven in figuur 3. Figuur 3a toont de ongerepte koolstofnanobuisjes; in de figuur kwamen ze samen in een groep en de structuur is erg intensief, waardoor gassen nauwelijks in de koolstofnanobuisjes kunnen komen. En er zijn veel onzuiverheden op het oppervlak van koolstofnanobuisjes. Uit Fig. 3 b en c zijn de onzuiverheden verdwenen en zijn de koolstofnanobuisjes losser geworden na oxidatiebehandeling. Het poeder van het eerste stapmateriaal CNTs/SnO2 werd verzameld en het FESEM-beeld ervan wordt getoond in Fig. 3 d en e. De koolstofnanobuisjes die in de figuur te vinden zijn, zijn wat dikker en grover geweest in vergelijking met de koolstofnanobuisjes in figuur 3c. Het is een coating van tinoxide op de koolstofnanobuisjes. Zoals getoond in Fig. 3 f, is de voorbereide composietfilm onderzocht. Aan het oppervlak is een poreuze en goed losse structuur waargenomen. Het zal waarschijnlijk een kern-schilstructuur vormen die de koolstofnanobuisjes als kern, het tinoxide en koperoxide als omhulsel is. En de koolstofnanobuisjes in deze gebieden spelen misschien een rol bij de transmissielading.

FESEM-afbeeldingen van a ongerepte koolstof nanobuisjes; b , c koolstof nanobuisjes met oxidatiebehandeling; d , e CNT's/SnO2 nanocomposiet; en f CNT's/SnO2 /CuO nanocomposietfilm

De bereide monsters werden onderzocht door XRD-karakterisering en de XRD-curven worden getoond in Fig. 4. We kunnen duidelijk een duidelijke piek zien bij 2 'van 26 °, wat een typische XRD-piek is voor CNT's. Bovendien zijn de diffractiepieken bij 26,6°, 33,8°, 51,8°, 54,7° en 65,9° geïndexeerd aan de SnO2 (JCPDS-kaart nr. 41-1445). En omdat het gehalte aan CuO te laag is, zijn de pieken van CuO niet duidelijk. Maar we kunnen nog steeds de zwakke pieken vinden bij 35,5°, 38,6°, 48,8°, 61,5° en 66,3° indexering naar CuO (JCPDS-kaart nr. 89-2529).

XRD-patronen van de CNT's/SnO2 en CNT's/SnO2 /CuO nanocomposiet

een De reactie van de CNT's/SnO2 en CNT's/SnO2 /CuO nanocomposiet naar H2 S. b De gevoeligheid van de CNT's/SnO2 en CNT's/SnO2 /CuO naar H2 S

De reactie van de CNT's/SnO2 nanocomposiet en de CNT's/SnO2 /CuO nanocomposiet tot waterstofsulfide wordt getoond in Fig. 5a met concentraties van 10, 20, 40, 60 en 80 ppm. Wanneer sensormaterialen werden blootgesteld aan verschillende concentraties H2 S bij kamertemperatuur laten ze het gedrag van het weerstandssignaal (respons) zien als functie van de tijd [19]. Merk op dat de CNT's/SnO2 nanocomposiet reageert in principe niet. Hoewel er enkele kleine verschillen zijn over de basislijnweerstand van de concentratie van 20  tot 40 ppm, zijn de CNT's/SnO2 /CuO-nanocomposiet behoudt voornamelijk de goede omkeerbaarheid. Uit het diagram blijkt dat wanneer de H2 S-gas wordt vrijgegeven in de testkamer (gas aan), de responstijd is 4 min. Analoog, terwijl de H2 S-gas wordt uit de testkamer verwijderd (gas uit), de weerstand neemt toe met een hersteltijd van 10 min. De responstijd en hersteltijd worden gedefinieerd als de tijd die de sensoruitvoer nodig heeft om respectievelijk 90% van de hoogste respons of 90% van het minimum te bereiken. In figuur 5a kunnen we dat ook verkrijgen als de concentratie van de H2 S-gas nam toe, de variatie van de weerstand nam af. Het kan de reden zijn dat de sensor de verzadigingsconcentratie bereikt naarmate de gasconcentratie toenam. Figuur 5b toont de H2S-gevoeligheidswaarden van de CNTs/SnO2 en CNTs/SnO2/CuO verkregen uit Vgl. (1). Uit de grafieken is de relatie tussen relatieve weerstand (ΔR) en relatieve concentratie (ΔC) bij benadering lineair. De gevoeligheidswaarde van CNTs/SnO2/CuO is 4,41, terwijl CNTs/SnO2 5,95 × 10−4 is. Vergeleken met CNTs/SnO2 is de gevoeligheid van het CNTs/SnO2/CuO nanocomposietmateriaal aanzienlijk verbeterd bij kamertemperatuur.

een , b Vergelijking van de prestaties van nanocomposiet bij het detecteren van H2 S

Trouwens, de vergelijking van de prestaties van SnO2 , CNT's/CuO, SnO2 /CuO en CNTs/SnO2 /CuO nanocomposiet bij het detecteren van H2 S wordt getoond in Fig. 6. Het laat zien dat de CNTs/SnO2 /CuO-gebaseerde sensor heeft de soepelere responscurves, wat minder storingen betekent. Ondertussen, CNTs/SnO2 /CuO-gebaseerde sensor is gevoeliger bij het detecteren van H2S.

Om de herhaalbaarheid van de sensor te onderzoeken, testen we de respons- en herstelkarakteristieken bij 40 ppm H2 S en kamertemperatuur, zoals weergegeven in Fig. 7. De curve geeft aan dat de sensor van de CNTs/SnO2 /CuO heeft een goede herhaalbaarheid en stabiliteit in de concentratie van 40 ppm H2 S. De eerste omkeerbare cyclus van de respons heeft enkele stoornissen in het herstelgebied. Het kan de reden zijn dat de basislijn van de weerstand van de sensor niet erg soepel was. Naarmate de tijd verstreek, werd de weerstandsbasislijn veel gladder, zodat de latere omkeerbare cyclus van de respons- en herstelcurve veel beter werd. De respons- en hersteltijd van de sensor kan iets langer zijn dan die van sommige sensoren, wat te maken kan hebben met bepaalde factoren, waaronder de dikte van de sensorlaag, de gasdiffusie en de hoeveelheid gasadsorptie op het sensormateriaal bij verschillende bedrijfstoestanden. temperaturen [36,37,38]. De sensor van de CNTs/SnO2 /CuO kunnen de bedrijfstemperaturen van kamertemperatuur zijn. Bij kamertemperatuur kan de anorganische chemische reactie een beetje traag zijn, wat de resultaten oplevert. Om een ​​andere reden kan het de hoge gevoeligheid zijn die tijd nodig heeft om gas te absorberen en gas af te geven.

Herhaalbaarheid van de sensor van CNTs/SnO2 /CuO in de concentratie van 40 ppm H2 S

Afbeelding 8 toont het staafdiagram dat de gasselectiviteit van de CNT's/SnO2 illustreert /CuO-sensor bij 40 ppm richting vier gassen. Het is duidelijk dat de gevoeligheid van de sensor voor H2 S is 19%, wat de maximale respons is van de vier gassen. Bovendien is de gevoeligheid van de sensor voor NH3 is 4,1%, wat de tweede maximale respons is. En de gevoeligheid van de andere twee gassen is veel lager dan de eerste, wat bijna geen reactie is. Het is gebleken dat de sensor een betere selectiviteit heeft naar H2 S dan CO, SO2 , en NH3 . En het komt allemaal neer op verschillende gassen die verschillende energieën hebben wanneer ze reageren met sensormaterialen. De reactie van H2 S-moleculen met de CNT's/SnO2 /CuO-materiaal zou sneller en responsiever kunnen zijn. De CNT's/SnO2 /CuO-sensor toont de meest gevoelige voor H2 S vergeleken met andere gassen.

Selectiviteit van de sensor in 40 ppm voor H2 S, NH4 , CO en SO2

Het bleek dat CNT's/SnO2 /CuO-gebaseerde sensor vertoont een grote afname in weerstand van dunne films bij blootstelling aan H2 S-gas. Er zijn twee hoofdredenen die het gevoelige en selectieve detectiemechanisme van CNT's/SnO2 kunnen verklaren. /CuO nanocomposieten. Allereerst de kern-schaalstructuur van CNTs/SnO2 nanocomposieten zorgen voor een groter oppervlak om de gasmoleculen te adsorberen en te verspreiden. De sleutel tot het verbeteren van de prestaties van gasdetectie is de vorming van p–n heterojunctie tussen SnO2 en CuO. De p-CuO/n-SnO2 interface zal een uitputtingslaag voor ladingsdragers vormen die een hoge weerstand van meetmaterialen in de lucht veroorzaakt, zoals weergegeven in figuur 9a. Bij blootstelling aan H2 S-gas, CuO werd getransformeerd in CuS, dat de p-n heterojunctie verbreekt. Dus, zoals weergegeven in figuur 9b, wordt de uitputtingslaag dunner en leidt dit tot een lage weerstand van detectiematerialen.

een , b Waarnemingsmechanismen van SnO2 /CuO heterojunctie voor het detecteren van H2 S-gas

Conclusies

Samengevat, de CNT's/SnO2 /CuO-nanocomposiet is op een eenvoudige, goedkope manier gesynthetiseerd. En de sensor die de CNTs/SnO2 . gebruikt /CuO-nanocomposiet als het actieve materiaal is ontwikkeld en getest onder standaardomstandigheden bij kamertemperatuur. De sensor heeft een snelle respons (4 min) en herstel (10 min) bij kamertemperatuur. En de CNT's/SnO2 /CuO-gassensor kan H2 . detecteren S-concentratie zo laag als 10 ppm. Ondertussen zijn de CNT's/SnO2 /CuO-gassensor vertoont betere prestaties dan die van de CNT's/SnO2 sensor. Bovendien heeft de sensor een goede herhaalbaarheid en stabiliteit in de concentratie van 40 ppm H2 S en heeft een betere selectiviteit naar H2 S dan andere gassen. Daarom zijn de CNT's/SnO2 /CuO-gassensor is nuttig in veel situaties bij kamertemperatuur, zoals industriële veiligheid.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn volledig beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

CNT's:

Koolstof nanobuisjes

EG:

Ethyleenglycol

FESEM:

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

PEG:

Polyethyleenglycol

XRD:

Röntgendiffractometer


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Virtuele sensorwerking en zijn toepassingen
    2. Bezettingssensor werkt en zijn toepassingen
    3. Deursensor werkt en zijn toepassingen
    4. Inductieve sensorwerking en toepassingen
    5. IoT-sensorwerking en zijn toepassingen
    6. MEMS-sensorwerking en zijn toepassingen
    7. Sensoren en processors komen samen voor industriële toepassingen
    8. Sensirion:multigas-, vochtigheids- en temperatuurmodule voor luchtreinigers en HVAC-toepassingen
    9. Draagbare gassensor voor gezondheids- en milieubewaking
    10. Ultradunne en zeer gevoelige reksensoren
    11. Lab-on-chip stroom- en temperatuursensor