Coupled microstructural and transport effects in p-type perovskites for hydrocarbon sensing

• Autorzy: Darcovich K. , Tunney J. J. , Post M. L.

Warianty tytułu

PL

Połączone efekty mikrostrukturalny i transportowy w perowskitach typu p w przypadku wykrywania węglowodorów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The chemical gas sensor system of propane (C3H8) and propene (C3H6) detection in a SrTi(0.8)Fe(0.2)O3 matrix was considered. A model was formulated which incorporated the coupled processes of gases diffusing into a porous ceramic and then participating in two chemical reactions: a reversible oxygen adsorption and a two-step surface reaction which consumed the target gas. Microstructural properties of the sensor matrix were coupled with the diffusion and surface chemistry processes. The base state of the electroceramic material was determined through the solution of its equilibrium defect chemistry. This simulation represents a modeling advance as it is the first to couple spatial variation of microstructural properties with diffusing gas species and the attendant surface chemistry and electroceramic properties, to predict sensor response as a function of film thickness and morphology. The results presented here compare well with experimental measurements over a broad range of conditions. This model validation will be a useful design tool for ensuing materials research work towards improved sensor device development.

PL

Rozpatrzono układ chemicznego czujnika gazu przeznaczonego do wykrywania propanu (C3H8) i propenu (C3H6) w matrycy SrTi(0,8)Fe(0,2)O3. Opracowano model, który uwzględnia połączone procesy dyfuzji gazów do porowatej ceramiki i następnie ich uczestnictwa w dwóch reakcjach chemicznych: odwracalnej adsorpcji tlenu i dwuetapowej reakcji powierzchniowej zużywającej docelowy gaz. Właściwości mikrostrukturalne matrycy czujnika połączono z procesami dyfuzji i chemii powierzchni. Stan podstawowy materiału elektroceramicznego określono w drodze rozwiązania chemii jego defektów równowagowych. Przedstawiona symulacja stanowi postęp w modelowaniu ponieważ po raz pierwszy połączono przestrzenne zmiany właściwości mikrostrukturalnych z dyfuzją gatunków gazowych i związaną z tym chemią powierzchni i właściwościami elektroceramicznymi, aby przewidywać odpowiedź czujnika jako funkcję grubości warstwy i jej morfologii. Zaprezentowane tu wyniki pasują dobrze do pomiarów doświadczalnych przeprowadzonych w szerokim zakresie warunków. Zatwierdzenie tego modelu dostarczy pożytecznego narzędzia do projektowania w przypadku następnych prac badawczych nad materiałami zmierzającymi do rozwoju polepszonych czujników.

Słowa kluczowe

EN

perovskite; hydrocarbon sensing; propane; propene; modeling

PL

perowskit; wykrywanie węglowodorów; propan; propen; modelowanie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 442--448
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Darcovich K.

autor

Tunney J. J.

autor

Post M. L.

• National Research Council of Canada, Institute for Chemical Process and Environmental Technology 1200 Montreal Rd., Ottawa, Ontario, Canada, K1A OR6,

Bibliografia

• [1] Meixner H., Lampe U.: „Metal oxide sensors”, Sensors and Actuators B, 33, 1-3, (1996), 198-202.
• [2] Williams D.E.: „Semiconducting oxides as gas-sensitive resistors”, Sensors and Actuators B, 57, 1-3, (1999), 1-16.
• [3] Yannopoulos L.N.: „A p-type semiconductor thick film gas sensor”, Sensors and Actuators, 12, 3, (1987), 263-273.
• [4] Moseley P.T.: „Solid State Gas Sensors”, Meas. Sci. Technol., 8, 3, (1997), 223-237.
• [5] Moseley P.T., Williams D.E.: „Gas sensors based on oxides of early transition metals”, Polyhedron, 8, 13-14, (1989), 1615-1618.
• [6] Tunney J.J., Post M.L., Du X., Yang D.: „Temperature Dependence and Gas Sensing Response of Conduction for Mixed Conducting SrFeyCozOx Thin Films”, J. Electrochem. Soc., 149, 6, (2002), H113-H118.
• [7] Moos R., Menesklou W., Schreiner H.-J., Hardtl K.H.: „Materials for temperature independent resistive oxygen sensors for combustion exhaust gas control”, Sensors and Actuators B, 67, 1-2, (2000), 178-183.
• [8] Sahner K., Moos R., Matam M., Tunney J.J., Post M.: „Hydrocarbon sensing with thick and thin film p-type conducting perovskite materials”, Sensors and Actuators B, 108, 1-2, (2005), 102-112.
• [9] Sahner K., Moos R.: „Modeling of hydrocarbon sensors based on p-type semiconducting perovskites”, Phys. Chem. Chem. Phys., 9, 5, (2007), 635-642.
• [10] Maier J., Münch W.: „Chemical transport in mixed conductors: application to the model materials SrTiO3 and ZrO2”, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 92, 12, (1996), 2143-2149.
• [11] Østdal H., Sörensen G., Daneshvar B., Skibsted L.H.: „Oxidative dimerisation of tyrosine by the hypervalent meat pigment ferrylmyoglobin”, Eur. Food Res. Technol., 216, 1, (2003), 23-27.
• [12] Merkle R., Maier J.: „Oxygen incorporation into Fe-doped SrTiO3: Mechanistic interpretation of the surface reaction”, Phys. Chem. Chem. Phys., 4, 17, (2002), 4140-4148.
• [13] Denk I., Münch W., Maier J.: „Partial conductivities in SrTiO3: bulk polarization experiments, oxygen concentration cell measurements, and defect-chemical modeling”, J. Am. Cer. Soc., 78, 12, (1995), 3265-3272.
• [14] Mahesh M., Kumar M.L., Post: „Effect of grain boundaries on hydrocarbon sensing in Fe-doped p-type semiconducting perovskite SrTiO3 films”, J. Appl. Phys., 97, 11, (2005), 114916-(1-8).
• [15] Sakai G., Matsunaga N., Shimanoe K., Yamazoe N.: „Theory of gas-diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensor”, Sensors and Actuators B, 80, 2, (2001), 125-131.
• [16] Darcovich K., Garcia F.F., Jeffrey C.A., Tunney J.J., Post M.L.: „Coupled microstructural and transport effects in n-type sensor response modeling for thin layers”, Sensors and Actuators A, 147, 2, (2008), 378-386.
• [17] Wijngaarden R.J., Kronberg A., Westerterp K.R.: „Industrial catalysis-optimizing catalysts and processes”, Wiley-VCH, Weinheim, 1998.
• [18] Powell A.C. IV, Arroyave R.: „Open source software for materials and process modeling”, JOM, 60, 5, (2008), 32-39.
• [19] Kharton V.V., Viskup A.P., Kovalevsky A.V., Figueiredo F.M., Jurado J.R, Yaremchencko A.A., Naumovich E.N., Frade J.R.: „Surface-limited ionic transport in perovskites Sr0.97(Ti,Fe,Mg)O3-3”, J. Mater. Chem., 10, 5, (2000), 1161-1170.
• [20] Kharton V.V., Kovalevsky A.V., Tsipis E.V., Viskup A.P., Naumovich E.N., Jurado J.R., Frade J.R.: „Mixed conductivity and stability of A-site-defficient Sr(Fe,Ti)O3-3 perovskites”, J. Solid State Electrochem., 7, 1, (2002), 30-36.
• [21] Côté R: „From Classical Mobility to Hopping Conductivity: Charge Hopping in an Ultracold Gas”, Phys. Rev. Lett., 85, 25, (2000), 5316-5319.