Investigation of graphene gas sensor at different substrates for acetone detection

• Autorzy: Mohd Chachuli Siti Amaniah , Pei Yeuan Yap , Coban Omer , Shamsudin N. H. , Idris M. Idzdihar

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.03.51

Warianty tytułu

PL

Badanie czujnika gazu grafenowego na różnych podłożach w celu wykrycia acetonu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Acetone gas is a colorless and flammable gas. Hence, it is one of the primary sources that causes combustion in high-temperature conditions. Besides, it is harmful to the health of living things. It will induce dizziness, headaches, vomiting, and irritation to the nose, eye, and throat in the short term. In the long term, it will cause damage to the central nervous system, cancer, liver, and kidney. This project aims to develop a graphene gas sensor to sense acetone and investigate the performance of the fabricated gas sensors at various thicknesses on different substrates. The substrates used are glass and Kapton film. 10 g of DI water was mixed with three different weights of graphene powder (0.01 g, 0.02 g, and 0.05 g) using a sonication bath for 30 minutes. The thickness of the sensing layer was varied through different amounts of graphene powder used in the solutions. Initially, the interdigitated electrode was deposited onto the substrates using screen-printing and annealed at 150 for 10 minutes. After that, the sensing layer was deposited on the interdigitated electrode using the dropping technique by dropping one drop of the mixed solution and annealing at 150 for 10 minutes. SEM and XRD characterizations are carried out to verify the sensing material of the gas sensor. The results revealed that gas sensors prepared by 0.01 g of graphene and 10 g of DI water (D-1b and D1b) produced high sensitivity to acetone compared to other samples. The gas sensor on Kapton film (D1b) had higher sensitivity than the gas sensor on the glass substrate (D-1b), with sensitivity values of approximately 7.02% and 3.24%, respectively. Sample D-2b has the shortest response time (4 s), while sample D-5b has the fastest recovery time (5 s) to acetone vapor.

PL

Aceton jest gazem bezbarwnym i palnym. Jest więc jednym z podstawowych źródeł powodujących spalanie w warunkach wysokiej temperatury. Poza tym jest szkodliwy dla zdrowia żywych organizmów. W krótkim czasie wywoła zawroty głowy, bóle głowy, wymioty i podrażnienie nosa, oczu i gardła. W dłuższej perspektywie spowoduje uszkodzenie ośrodkowego układu nerwowego, raka, wątroby i nerek. Ten projekt ma na celu opracowanie czujnika gazu grafenowego do wykrywania acetonu i zbadanie działania wytworzonych czujników gazu o różnej grubości na różnych podłożach. Zastosowane podłoża to szkło i folia Kapton. 10 g wody DI zmieszano z trzema różnymi wagami proszku grafenowego (0,01 g, 0,02 g i 0,05 g) stosując łaźnię sonikacyjną przez 30 minut. Grubość warstwy czujnikowej była zmieniana przez różne ilości proszku grafenowego stosowanego w roztworach. Początkowo elektroda naprzemienna została osadzona na podłożach za pomocą sitodruku i wyżarzona w temperaturze 150℃ przez 10 minut. Następnie warstwę czujnikową osadzano na elektrodzie naprzemiennej przy użyciu techniki wkraplania przez upuszczenie jednej kropli zmieszanego roztworu i wyżarzanie w temperaturze 150°C przez 10 minut. Charakteryzacje SEM i XRD są przeprowadzane w celu weryfikacji materiału czujnika gazu. Wyniki wykazały, że czujniki gazu przygotowane z 0,01 g grafenu i 10 g wody DI (D-1b i D1b) wykazywały wysoką czułość na aceton w porównaniu z innymi próbkami. Czujnik gazu na folii kaptonowej (D1b) miał wyższą czułość niż czujnik gazu na podłożu szklanym (D-1b), przy wartościach czułości odpowiednio około 7,02% i 3,24%. Próbka D-2b ma najkrótszy czas odpowiedzi (4 s), podczas gdy próbka D-5b ma najszybszy czas powrotu (5 s) do par acetonu.

Słowa kluczowe

EN

graphene gas sensor; screen-printing technique; dropping; kapton film; DI water

PL

czujnik gazu grafenowego; technika sitodruku; kropla; folia kaptonowa; woda DI

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 3
• Strony: 289--293
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mohd Chachuli Siti Amaniah

• Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer, Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Hang Tuah Jaya, 76100 Durian Tunggal, Melaka, Malaysia

• https://orcid.org/0000-0001-7682-9913

autor

Pei Yeuan Yap

• Engineering Faculty, Ataturk University

autor

Coban Omer

• Engineering Faculty, Ataturk University

• https://orcid.org/0000-0003-4312-9026

autor

Shamsudin N. H.

• Fakulti Kejuruteraan Elektrik, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

• https://orcid.org/0000-0002-6126-3969

autor

Idris M. Idzdihar

• Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

• https://orcid.org/0000-0001-7717-5659

Bibliografia

• [1] American Chemical Society, “Firefighter exposure to wildfire smoke compounds varies, depending on duties,” September 08, 2021.
• [2] M. D. of Health, “Volatile Organic Compounds in Your Home.”
• [3] U. S. E. P. Agency, “Volatile Organic Compounds’ Impact on Indoor Air Quality,” JUNE 30, 2022.
• [4] E. Popek, Sampling and Analysis of Environmental Chemical Pollutants A Complete Guide. 2018.
• [5] T. A. K. T. K. Mitsubayashii, “18 - Bio-sniffer and sniff-cam,” in Chemical, Gas, and Biosensors for Internet of Things and Related Applications, 2019, pp. 271–288.
• [6] T. Chludziński and J. Smulko, “System of breath collection and analysis for diseases detection,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 92, no. 11, pp. 47–50, 2016, doi: 10.15199/48.2016.11.12.
• [7] W. Wen, “Introductory Chapter: What is Chemical Sensor?,” in Progresses in Chemical Sensor, 2016.
• [8] S. P. Bharath, K. V. Bangera, and G. K. Shivakumar, “Synthesis and characterization of Cu 1-x Zn x O composite thin films for sensor application,” Ceram. Int., vol. 45, no. 10, pp. 12691–12699, 2019, doi: 10.1016/j.ceramint.2019.03.117.
• [9] B. Bouricha, R. Souissi, N. Bouguila, and A. Labidi, “A real-time sharp selectivity with In2S3 gas sensor using a nonlinear dynamic response for VOCs,” Meas. J. Int. Meas. Confed., vol. 185, no. March, p. 110070, 2021, doi: 10.1016/j.measurement.2021.110070.
• [10] M. Gupta, N. Athirah, and H. F. Hawari, “Graphene derivative coated QCM-based gas sensor for volatile organic compound (VOC) detection at room temperature,” Indones. J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 18, no. 3, pp. 1279–1286, 2020, doi: 10.11591/ijeecs.v18.i3.pp1279-1286.
• [11] N. C. Wijayanti, R. D. Cahyaningrum, and Harsojo, “Study of Thin Film Cu Nanowire and Reduced Graphene Oxide as A Gas Sensor,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 1494, no. 1, 2020, doi: 10.1088/1742-6596/1494/1/012036.
• [12] C. Li, P. G. Choi, K. Kim, and Y. Masuda, “High performance acetone gas sensor based on ultrathin porous NiO nanosheet,” Sensors Actuators B Chem., vol. 367, no. June, p. 132143, 2022, doi: 10.1016/j.snb.2022.132143.
• [13] Y. Chen et al., “Highly sensitive and selective acetone gas sensors based on modified ZnO nanomaterials,” Mater. Sci. Semicond. Process., vol. 148, no. May, p. 106807, 2022, doi: 10.1016/j.mssp.2022.106807.
• [14] L. Lyu et al., “A novel CeO2 Hollow-Shell sensor constructed for high sensitivity of acetone gas detection,” Appl. Surf. Sci., vol. 571, no. August 2021, p. 151337, 2022, doi: 10.1016/j.apsusc.2021.151337.
• [15] M. H. Jali et al., “Detection of acetone as a potential non-invasive diagnosis tool for diabetes patients,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 98, no. 5, pp. 71–75, 2022, doi: 10.15199/48.2022.05.13.
• [16] H. Yu, Y. Zhang, L. Dong, and J. Wang, “Fabricating pod-like SnO2 hierarchical micro-nanostructures for enhanced acetone gas detection,” Mater. Sci. Semicond. Process., vol. 121, no. March 2020, p. 105451, 2021, doi: 10.1016/j.mssp.2020.105451.
• [17] D. Yang, “Analysis on the conductivity of graphene-based composite material,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 2011, no. 1, 2021, doi: 10.1088/1742-6596/2011/1/012002.
• [18] K. T. Chaudhary, “Thin Film Deposition: Solution Based Approach,” in Thin Films, 2020.
• [19] A. H. Simon, “Chapter 7 - Sputter Processing,” in Handbook of Thin Film Deposition, vol. 7, no. 1, 2015, pp. 37–72.
• [20] V. K. S. Yadav, T. T. Daniel, and R. P. Paily, “Gas Sensors Based on Drop-Casted ZnO Nanowires and Micro-Cantilever Printed Ag Contacts,” IEEE Sens. J., vol. 20, no. 9, pp. 4951–4958, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2964600.
• [21] S. A. Mohd Chachuli, M. N. Hamidon, M. Ertugrul, M. S. Mamat, H. Jaafar, and N. Aris, “Influence of B2O3 Addition on the Properties of TiO2 Thick Film at Various Annealing Temperatures for Hydrogen Sensing,” J. Electron. Mater., pp. 44–47, 2020, doi: 10.1007/s11664-020-08059-0.
• [22] S. R. Sriram, S. R. Parne, N. Pothukanuri, and D. R. Edla,“Prospects of spray pyrolysis technique for gas sensor applications – A comprehensive review,” J. Anal. Appl. Pyrolysis, vol. 164, no. April, p. 105527, 2022, doi: 10.1016/j.jaap.2022.105527.
• [23] K. Waczyński, W. Izydorczyk, N. Niemiec, J. Uljanow, W. Domański, and J. Mazurkiewicz, “Studies on sensor response of SnO2 thin films and 1-D nanostructures,” Prz. Elektrotechniczny, vol. 91, no. 9, pp. 199–203, 2015, doi: 10.15199/48.2015.09.52.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).