TiO2-based nanopowders for gas sensor

• Autorzy: Radecka M. , Jasiński M. , Klich-Kafel J. , Rękas M. , Łysoń B. , Czapla A. , Lubecka M. , Sokołowski M. , Zakrzewska K. , Heel A. , Graule T. J.

Warianty tytułu

PL

Oparte na TiO2 nanoproszki dla czujnika gazu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Flame spray synthesis (FSS) was used to grow TiO2-based nanopowders from which TiO2:Cr nanosensors were obtained. Structural properties of crystalline TiO2:Cr nanopowders at different Cr loadings (0.1–5.0 at.%) have been investigated. Material studies have been performed using standard methods: X-ray diffraction (XRD) transmission electron microscopy (TEM) and Brunauer-Emmett-Teller adsorption isotherms analysis (BET). High specific surface area (37-126 m2/g) and small crystallite size (9-27 nm) have been reached. Incorporation of Cr into TiO2 lattice affects the specific surface area of nanopowders, the crystallite size and the rutile to anatase ratio. Gas sensing characteristics of TiO2:Cr nanosensors upon interaction with H2 have been recorded in the self-assembled experimental system. The detection of hydrogen was carried out over the concentration range of 50-3000 ppm at the temperatures extending from 200 to 400oC. It is demonstrated that nanomaterials based on TiO2:Cr are attractive for ultimate sensors applications due to a decrease in the operating temperature down to 210-250oC, accompanied by an increase in the sensor response. Taking into account the possible operating costs, the best candidates for the commercial use are TiO2:1 at.% Cr and TiO2:5 at.% Cr nanosensors.

PL

Do otrzymania nanoproszków dla czujników gazu opartych na TiO2:Cr zastosowano syntezę płomieniową FSS (flame spray synthesis). Określono właściwości strukturalne nanoproszków TiO2:Cr o różnych stężeniach Cr (0.1–5.0 at.%). Badane materiały scharakteryzowano za pomocą standardowych metod, a mianowicie dyfrakcyjnej analizy rentgenowskiej (XRD), mikroskopii transmisyjnej (TEM) oraz analizy izoterm adsorpcji Brunauer-Emmett-Tellera (BET). Otrzymano materiały o wysokiej powierzchni właściwej (37-126 m2/g) i rozmiarach krystalitów w zakresie 9-27 nm. Wprowadzenie Cr do sieci TiO2 wpływa na powierzchnię właściwą nanoproszków, rozmiar krystalitu i stosunek rutylu do anatazu. Do pomiaru charakterystyk nanoczujników TiO2:Cr w wyniku oddziaływania z H2 zastosowano specjalnie skonstruowany układ pomiarowy. Wyznaczenie kinetyki zmian oporu elektrycznego spowodowanego zmianą ilości wodoru przeprowadzono w zakresie stężeń 50-3000 ppm H2 w temperaturach od 200 do 400oC. Pokazano, że obniżeniu temperatury pracy do 210-250oC towarzyszy wzrost sygnału pomiarowego, co powoduje, że materiały oparte na TiO2:Cr są atrakcyjne z punktu widzenia zastosowań w czujnikach gazu. Biorąc pod uwagę przewidywane koszty eksploatacyjne, najlepszymi kandydatami do komercyjnego wykorzystania są nanoczujniki TiO2:1 at.% Cr oraz TiO2:5 at.% Cr.

Słowa kluczowe

EN

gas sensors; nanopowders; TiO2; hydrogen detection

PL

czujniki gazu; TiO2; nanoproszki; wykrywanie wodoru

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 545--549
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Radecka M.

autor

Jasiński M.

autor

Klich-Kafel J.

autor

Rękas M.

autor

Łysoń B.

autor

Czapla A.

autor

Lubecka M.

autor

Sokołowski M.

autor

Zakrzewska K.

autor

Heel A.

autor

Graule T. J.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Göpel W., Jones T.A., Kleitz M., Lundsröm J., Seiyama T.: „Chemical and Biochemical Sensors“ in Göpel, W., Schierbaum, K.D.: „Sensors”, vol. 2, (Hrsg.) Verlag VCH, 1991.
• 2. Chi Lu., Zhi Chen: „High-temperature resistive hydrogen sensor based on thin nanoporous rutile TiO2 film on anodic aluminum oxide”, Sens. Act. B, 140, (2009), 109-115.
• 3. Zakrzewska K.: „Titanium Dioxide Thin Films for Gas Sensors and Photonic Applications”, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, No 115, 2003, 1-223.
• 4. Bernasik A., Radecka M., Rekas M., Sloma M.: „Electrical properties of Cr- and Nb- thin films”, Appl. Surf. Sci., 65/66, (1993), 240-245.
• 5. Sharma R.K., Bhatnagar M.C.: „Improvement of the oxygen gas sensitivity in doped TiO2 thick films”, Sens. Act. B, 56, (1999), 215-219.
• 6. Zakrzewska K., Radecka M., Rekas M.: „Effect of Nb, Cr, Sn additions on gas sensing properies of TiO2 thin films”, Thin Solid Films, 310, (1997), 161-166.
• 7. Sharma R.K., Bhatnagar M.C., Sharma G.L.: „Mechanism of highly sensitive and fast response Cr doped TiO2 oxygen gas sensor”, Sens. Act. B, 45, (1997), 209-215.
• 8. Ruiz A.M., Sakai G., Cornet A., Shimanoe K., Morante J.R., Yamazoe N.: „Cr-doped TiO2 gas sensor for exhaust NO2 monitoring”, Sens. Act. B, 93, (2003), 509-518.
• 9. Li Y., Wlodarski W., Galatsis K., Moslih S.H., Cole J., Russo S., Rockelmann N.: „Gas sensing properties of p-type semiconducting Cr-doped TiO2 thin films”, Sens. Act. B, 83, (2002), 160-163.
• 10. Alessandri I., Comini E., Bontempi E., Faglia G., Depero L. E., Sberveglieri G.: „Cr-inserted TiO2 thin films for chemical gas sensors”, Sens. Act. B, 128, (2007), 312-319.
• 11. Lebrun A., Carpentier J-L, Perdu F., Tellier P.: „Comparative study of electronic conduction between pure and weakly chromium-doped rutile at 1273 K”, Comptes Rendus de L'Academie des Sciences Serie II Mecanique Physique Chimie Sciences de L'Univers Sciences de la Terre, 28 (1987), 629-632.
• 12. Carpentier J.-L., Lebrun A., Perdu F.: „Point defects and charge transport in pure and chromium-doped rutile at 1273 K”, J. Phys. Chem. Solids., 50, (1989), 145-151.
• 13. Radecka M., Rękas M.: „Defect structure and electrical properties of Cr- and Nb-doped TiO2 thin films”, Solid State Phen., 39-40, (1999), 135-138.
• 14. Hooker S. A.: „Nanotechnology advantages applied to gas sensors development”, The Nanoparticles 2002 Conference Proc., Business Communications Co., Inc., Norwalk, CT USA, 1-7.
• 15. Comini E.: „Metal oxide nano-crystals for gas sensing”, Anal. Chimica Acta, 568, (2006), 28-40.
• 16. Trenczek-Zajac A., Radecka M., Jasinski M., Michalow K.A., Rekas M., Kusior E., Zakrzewska K., Heel A., Graule T., Kowalski K.: „Influence of Cr on the structural and optical properties of TiO2:Cr nanopowders prepared by Flame Spray Synthesis (FSS)”, J. Power Sour., 194, (2009), 104-111.
• 17. Akurati K.K., Vital A., Fortunato G., Hany R., Nueesch F., Graule T.: „Flame synthesis of TiO2 nanoparticles with high photocatalytic activity”, Solid State Sci., 9, (2007), 247-257.
• 18. Florke O.W., Lee C.W.: „Phase diagram TiO2-Cr2O3”, J. Solid State Chem., 1, (1969), 445-446.
• 19. Shannon R.D.: „Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides”, Acta Crystall., A32, (1976), 751-767.