Sensor wodoru na bazie TiO2 : model oddziaływania

• Autorzy: Łysoń-Sypień B. , Zakrzewska K. , Radecka M. , Rękas M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/ELE-2014-130

Warianty tytułu

EN

Hydrogen sensor based on TiO2 : modelling the mechanism of interaction

• Konferencja: Krajowa Konferencja Elektroniki (13 ; 05-09.06.2014 ; Darłówko Wschodnie ; Polska)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem pracy jest sensor wodoru na bazie nanokrystalicznego TiO₂. Nanomateriały otrzymano w procesie syntezy w płomieniu (Flame Spray Synthesis, FSS). Celem badań było opracowanie teoretycznego modelu oddziaływania pomiędzy cząsteczkami wodoru, a nanokrystalicznymi materiałami na bazie TiO₂ o kontrolowanym rozmiarze ziarna. Nanomateriały zostały scharakteryzowane z wykorzystaniem następujących metod badawczych: dyfraktometria rentgenowska, XRD, izotermy adsorpcyjne Brunauer – Emmett – Teller, BET oraz skaningowa mikroskopia elektronowa, SEM. Pomiar własności sensorowych został przeprowadzony dla koncentracji wodoru w zakresie 50 – 3000 ppm w przedziale temperatur 100–400°C z wykorzystaniem syntetycznego powietrza jako atmosfery odniesienia. W wyniku przeprowadzonych badań wykazano, że nanomateriały są dobrze skrystalizowane, ziarna mają kształt sferyczny. Mechanizm oddziaływania gazu z nanomateriałem opisano wykorzystując model zakładający tworzenie się barier potencjału Schottkiego na granicach międzyziarnowych.

EN

The aim of this presentation is to investigate the mechanism of the interaction between TiO₂ based nanomaterials and H₂ molecules taking into account Schottky barriers formation at grain boundaries. TiO₂ nanostructures modified controllable changes in the grain size were obtained by Flame Spray Synthesis, FSS, technique. Nanomaterials were characterized by standard techniques available, namely X – ray diffraction, XRD, Brunauer – Emmett – Teller adsorption isotherms, BET and Scanning Electron Microscopy, SEM. Detection of hydrogen was carried out over the concentration range of 50 – 3000 ppm at the temperatures extending from 100 to 400°C and synthetic air as a reference atmosphere. The sensor response was defined as: S = (R₀-R)/R₀ where R₀ denotes electrical resistance in the reference atmosphere and R is its value upon interaction with H₂. As a result of experiments it appears that TiO₂ based nanostructures are well – crystallized, grains are spherical in shape. The results of hydrogen sensing measurements can be successfully fitted using the model of Schottky barriers formation in the contact region between grains.

Słowa kluczowe

PL

nanomateriały TiO2; sensory wodoru; mechanizm oddziaływania

EN

TiO2 nanomaterials; H2 sensor; mechanism of interaction; size effects

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 55, nr 9
• Strony: 45--47
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., wykr.

Twórcy

autor

Łysoń-Sypień B.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Informatyki, Elektroniki, i Telekomunikacji, Kraków

autor

Zakrzewska K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Informatyki, Elektroniki, i Telekomunikacji, Kraków

autor

Radecka M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Kraków

autor

Rękas M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Kraków

Bibliografia

• [1] M. Seo, M. Yuasa, T. Kida, J. Huh, K. Shimanoe, N. Yamazoe, „Gas sensing characteristics and porosity control of nanostructured films composed of TiO2 nanotubes”, Sens. Actuators B, vol. 137, pp. 513– 520, 2009.
• [2] O. Varghese, D. Gong, M. Paulose, K. Ong, C. Grimes, “Hydrogen sensing using titania nanotubes”, Sens. Actuators B, vol. 93, pp. 338–344, 2003.
• [3] B. Karunagaran, P. Uthirakumar, S. J. Chung, S. Velumani, E. K. Suh,“TiO2 thin film gas sensors for monitoring ammonia”, Mater. Charact., vol. 58, pp. 680–684, 2007.
• [4] M. Ferroni, M. C. Carotta, V. Guidi, G. Martinelli, F. Ronconi, O. Richard, D. V. Dyck, J. V. Landuyt, “Structural characterization of Nb – TiO2 nanosized thick – films for gas sensing application”, Sens. Actuators B, vol. 68, pp. 140–145, 2000.
• [5] Ch. Xu, J. Tamaki, N. Miura, N. Yamazoe, “Grain size effects on gas sensitivity of porous SnO2-based elements”, Sens. Actuators B, vol. 3, pp. 147–155, 1991.
• [6] N. Barsan, U. Weimar, “Conduction model of metal oxide gas sensors”, J. Electroceram., vol. 7, pp. 143–167, 2001.
• [7] A. Rothschild, Y. Komem, “The effect of grain size on the sensitivity of nanocrystalline metal – oxide gas sensors”, J. Appl. Phys., vol. 95, no. 11, pp. 6374–6380, 2004.
• [8] C. O. Park, S. A. Akbar, “Ceramics for chemical sensing”, J. Mater. Sci., vol. 38, pp. 4611–4637, 2003.
• [9] A. Fort, M. Mugnaini, S. Rocchi, M. B. Serrano-Santos, V. Vignoli, R. Spinicci, “Simplified models for SnO2 sensors during chemical and thermal transients in mixtures of inert, oxidizing and reducing gases”, Sens. Actuators B, vol. 124, pp. 245–259, 2007.
• [10] V. I. Gaman, “Basic physics of semiconductor hydrogen sensors”, Russ. Phys. J., vol. 51, no 4, pp. 425–441, 2008.
• [11] B. Lyson-Sypiena, A. Czapla, M. Lubecka, P. Gwizdz, K. Schneider, K. Zakrzewska, K. Michalow, T. Graule, A. Reszka, M. Rekas, A. Lacz, M. Radecka, “Nanopowders of chromium doped TiO2 for gas sensors”, Sens. Actuators B, vol. 175, pp. 163–172, 2012.
• [12] M. Radecka, M. Rekas, E. Kusior, K. Zakrzewska, A. Heel, K. A. Michalow, T. Graule, “TiO2-based nanopowders and thin films for photocatalytical applications”, J. Nanosci. Nanotechnol. vol. 10, pp. 1032–1042, 2010.

Uwagi

PL

Powyższa praca została wykonana dzięki wsparciu finansowemu Narodowego Centrum Nauki, NCN, DEC-2011/03/B/ST7/01840. Jeden z autorów (B.Ł.-S.) uzyskał finansowanie w ramach Grantu Dziekańskiego dla młodych naukowców na Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji AGH w 2014 r. Autorzy pracy dziękują dr Katarzynie Michałów-Mauke i prof. Thomasowi Graule z EMPA, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Laboratory for High Performance Ceramics, Dübendorf, Szwajcaria za stworzenie warunków do współpracy dotyczącej technologii nanomateriałów TiO2. Autorzy pracy wyrażają wdzięczność Prof. B. Kowalskiemu i mgr Annie Reszka z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk za przeprowadzenie badań morfologii metodą SEM.