Газочувствительные свойства нанокомпозита Ti0.2V1.8CTx/V2O5

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Разработан метод получения нанокомпозита, содержащего максеновое ядро Ti0.2V1.8CTx и поверхностные слои оксида ванадия, допированного титаном, путем относительно низкотемпературного частичного окисления многослойного максена – двумерного карбида ванадия-титана. Показано, что в ходе окисления в воздушной атмосфере исходного Ti0.2V1.8CTx при температуре 250°С сохраняется микроструктура аккордеоноподобных агрегатов с некоторым повышением пористости составляющих их слоев и увеличением их толщины за счет образования V2O5. При этом отмечено сохранение структуры максена с уменьшением межплоскостного расстояния от 10.3 (исходный порошок Ti0.2V1.8CTx) до 7.3 Å. Рамановская спектроскопия подтвердила образование оксида ванадия. Методом Кельвин-зондовой силовой микроскопии установлено, что при образовании нанокомпозита Ti0.2V1.8CTx/V2O5 происходит уменьшение работы выхода электрона с 4.88 (Ti0.2V1.8CTx) до 4.68 эВ. Для слоев Ti0.2V1.8CTx/V2O5, нанесенных с применением метода микроплоттерной печати, комплексно изучены хемосенсорные свойства по отношению к ряду газообразных аналитов (H2, CO, NH3, NO2, C6H6, C3H6O, CH4, C2H5OH и O2). При повышенных температурах детектирования (125–200°С) зафиксирована высокая чувствительность на кислород (10% O2) и NO2 (100 ppm); во всем интервале температур (25–200°С) имеются заметные отклики на влажность (50% RH). При комнатной температуре детектирования отмечена хорошая чувствительность по отношению к ацетону, этанолу и аммиаку.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. П. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

А. С. Мокрушин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

И. А. Нагорнов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

В. М. Сапронова

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991; Миусская пл., 9, Москва, 125047

Ю. М. Горбань

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991; Миусская пл., 9, Москва, 125047

Ф. Ю. Горобцов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Т. Л. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Н. П. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Н. Т. Кузнецов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Список литературы

  1. Kang H., Cho S., Ryu J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 27. https://doi.org/10.1002/adfm.202002486
  2. Goschnick J. // Microelectron. Eng. 2001. V. 57–58. P. 693. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(01)00553-6
  3. Pazniak H., Plugin I.A., Loes M.J. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2020. V. 3. № 4. P. 3195. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02223
  4. Mao Z., Wang J., Gong Y. et al. // Micromachines. 2018. V. 9. № 11. P. 606. https://doi.org/10.3390/mi9110606
  5. Khorramifar A., Karami H., Lvova L. et al. // Sensors. 2023. V. 23. № 12. P. 5716. https://doi.org/10.3390/s23125716
  6. Persaud K., Dodd G. // Nature. 1982. V. 299. № 5881. P. 352. https://doi.org/10.1038/299352a0
  7. Yang B., Myung N.V., Tran T. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 9. P. 2100271. https://doi.org/10.1002/aelm.202100271
  8. Schroeder V., Evans E.D., Wu Y.-C.M. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 8. P. 2101. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00825
  9. 9. Fedorov F.S., Simonenko N.P., Trouillet V. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 50. P. 56135. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14055
  10. Li G., Zhu X., Liu J. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 4. P. 251. https://doi.org/10.3390/chemosensors11040251
  11. Germanese D., D’Acunto M., Magrini M. et al. // Sensors & Transducers. 2017. V. 215. № 8. P. 19.
  12. Wilson A. // Metabolites. 2015. V. 5. № 1. P. 140. https://doi.org/10.3390/metabo5010140
  13. van der Sar I.G., Wijbenga N., Nakshbandi G. et al. // Respir. Res. 2021. V. 22. № 1. P. 246. https://doi.org/10.1186/s12931-021-01835-4
  14. Güntner A.T., Koren V., Chikkadi K. et al. // ACS Sensors. 2016. V. 1. № 5. P. 528. https://doi.org/10.1021/acssensors.6b00008
  15. Jeong S.Y., Kim J.S., Lee J.H. // Adv. Mater. 2020. V. 32. Is. 51. https://doi.org/10.1002/adma.202002075
  16. Wei Z., Xiao X., Wang J. et al. // Sensors. 2017. V. 17. № 11. P. 2500. https://doi.org/10.3390/s17112500
  17. Nake A., Dubreuil B., Raynaud C. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2005. V. 106. № 1. P. 36. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.05.034
  18. Simonenko N.P., Fisenko N.A., Fedorov F.S. et al. // Sensors (Switzerland). 2022. V. 22. № 3247. P. 1. https://doi.org/10.3390/s22093473
  19. Bax C., Bernasconi R., Massironi F. et al. // J. Electrochem. Soc. 2021. V. 168. № 4. P. 047513. https://doi.org/10.1149/1945-7111/abf7e7
  20. Alshammari A.S., Alenezi M.R., Lai K.T. et al. // Mater. Lett. 2017. V. 189. P. 299. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.11.033
  21. Zhu Y., Yu L., Wu D. et al. // Sens. Actuators, A: Phys. 2021. V. 318. P. 112434. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112434
  22. Dai Y., Huang J., Zhang H. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2019. V. 281. P. 746. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.11.014
  23. Zazoum B., Bachri A., Nayfeh J. // Materials (Basel). 2021. V. 14. № 21. P. 6603. https://doi.org/10.3390/ma14216603
  24. Li N., Jiang Y., Xiao Y. et al. // Nanoscale. 2019. V. 11. № 44. P. 21522. https://doi.org/10.1039/C9NR06751E
  25. Ravi Kumar Y., Deshmukh K., Kovářík T. et al. // Coord. Chem. Rev. 2022. V. 461. P. 214502. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214502
  26. Sett A., Rana T., Rajaji U. et al. // Sens. Actuators, A: Phys. 2022. V. 338. P. 113507. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113507
  27. Tan W.C., Ang K. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 7. https://doi.org/10.1002/aelm.202001071
  28. Lazanas A.C., Prodromidis M.I. // Microchim. Acta. 2021. V. 188. № 1. P. 6. https://doi.org/10.1007/s00604-020-04674-0
  29. Gómez I.J., Alegret N., Dominguez-Alfaro A. et al. // Chemistry (Easton). 2021. V. 3. № 4. P. 1314. https://doi.org/10.3390/chemistry3040095
  30. Cao J., Chen Q., Wang X. et al. // Research. 2021. V. 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9863038
  31. Choi S.-J., Kim I.-D. // Electron. Mater. Lett. 2018. V. 14. № 3. P. 221. https://doi.org/10.1007/s13391-018-0044-z
  32. Wu M., He M., Hu Q. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 10. P. 2763. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01308
  33. Lee E., VahidMohammadi A., Prorok B.C. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 42. P. 37184. https://doi.org/10.1021/acsami.7b11055
  34. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Mokrushin A.S. et al. // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 5. P. 850. https://doi.org/10.3390/nano13050850
  35. Kim S.J., Koh H.J., Ren C.E. et al. // ACS Nano. 2018. V. 12. № 2. P. 986. ttps://doi.org/10.1021/acsnano.7b07460
  36. Shuvo S.N., Ulloa Gomez A.M., Mishra A. et al. // ACS Sensors. 2020. V. 5. № 9. P. 2915. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01287
  37. Li X., An Z., Lu Y. et al. // Adv. Mater. Technol. 2022. V. 7. № 3. P. 2100872. https://doi.org/10.1002/admt.202100872
  38. Majhi S.M., Ali A., Greish Y.E. et al. // ACS Appl. Electron. Mater. 2022. V. 4. № 8. P. 4094. https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00717
  39. Sun Q., Wang J., Wang X. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. № 32. P. 16987. https://doi.org/10.1039/C9NR08350B
  40. Wu M., An Y., Yang R. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 6. P. 6257. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01059
  41. Majhi S.M., Ali A., Greish Y.E. et al. // Sci. Rep. 2023. V. 13. № 1. P. 3114. https://doi.org/10.1038/s41598-023-30002-6
  42. Guo L., Han H., Li Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. № 1. P. 013901. https://doi.org/10.1063/5.0156402
  43. Zhang Y., Jiang Y., Duan Z. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2021. V. 344. № 2. P. 130150. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130150
  44. Lee E., VahidMohammadi A., Yoon Y.S. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 6. P. 1603. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00303
  45. Wu M., An Y., Yang R. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 6. P. 6257. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01059
  46. Liu P., Xu H., Wang X. et al. // J. Collоid Interface Sci. 2024. V. 655. P. 364. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.11.027
  47. Chen K., Guan Y., Tan L. et al. // Appl. Surf. Sci. 2023. V. 617. P. 156575. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156575
  48. Feng K., Li Y., Xu C. et al. // Electrochim. Acta. 2023. V. 444. P. 142022. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142022
  49. Zhao W., Yang Y., Deng Q. et al. // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. № 5. https://doi.org/10.1002/adfm.202210037
  50. Zhang Y., Cao J., Yuan Z. et al. // Small. 2022. V. 18. № 30. P. 2202313. https://doi.org/10.1002/smll.202202313
  51. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  52. Wang X., Gong L., Li Z. et al. // J. Mater. Chem. A. 2023. V. 11. № 14. P. 7690. https://doi.org/10.1039/D2TA07917H
  53. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Averin A.A. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 142. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020142
  54. Kuang D., Wang L., Guo X. et al. // J. Hazard. Mater. 2021. V. 416. P. 126171. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126171
  55. Liang D., Song P., Liu M. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 7. P. 9059. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.089
  56. Fan C., Shi J., Zhang Y. et al. // Nanoscale. 2022. V. 14. № 9. P. 3441. https://doi.org/10.1039/D1NR06838E
  57. Gasso S., Mahajan A. // ACS Sensors. 2022. V. 7. № 8. P. 2454. https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01213
  58. Simonenko E.P., Nagornov I.A., Mokrushin A.S. et al. // Materials (Basel). 2023. V. 16. № 13. P. 4506. https://doi.org/10.3390/ma16134506
  59. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  60. Badie S., Dash A., Sohn Y.J. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2021. V. 104. № 4. P. 1669. https://doi.org/10.1111/jace.17582
  61. Roy C., Banerjee P., Bhattacharyya S. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 3. P. 923. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.020
  62. Luo W., Liu Y., Wang C. et al. // J. Mater. Chem. C. 2021. V. 9. № 24. P. 7697. https://doi.org/10.1039/D1TC01338F
  63. Liu A., Yang Q., Ren X. et al. // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 5. P. 6934. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.008
  64. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 5. P. 705. https://doi.org/10.1134/S0036023622050187
  65. Matthews K., Zhang T., Shuck C.E. et al. // Chem. Mater. 2022. V. 34. № 2. P. 499. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03508
  66. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Averin A.A. et al. // Biosensors. 2023. V. 13. № 4. P. 445. https://doi.org/10.3390/bios13040445
  67. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2099. https://doi.org/10.1134/S0036023622601520
  68. Nagornov I.A., Mokrushin A.S., Simonenko E.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 4. P. 539. https://doi.org/10.1134/S0036023622040143
  69. Wyckoff R.W.G. // Cryst. Struct. 1963. V. 1. P. 85.
  70. Etzkorn J., Ade M., Hillebrecht H. // Inorg. Chem. 2007. V. 46. № 18. P. 7646. https://doi.org/10.1021/ic700382y
  71. Yusupov K., Björk J., Rosen J. // Nanoscale Adv. 2023. V. 5. № 15. P. 3976. https://doi.org/10.1039/D2NA00830K
  72. Hart J.L., Hantanasirisakul K., Lang A.C. et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 522. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08169-8
  73. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Averin A.A. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 142. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020142
  74. Evans H.T., Mrose M.E. // Am. Mineral. 1955. V. 40. № 9–10. P. 861.
  75. Enjalbert R., Galy J. // Acta Crystallogr., Sect. C: Cryst. Struct. Commun. 1986. V. 42. № 11. P. 1467. https://doi.org/10.1107/S0108270186091825
  76. Pauling L., Sturdivant J.H. // Z. Krist. - Cryst. Mater. 1928. V. 68. № 1–6. P. 239. https://doi.org/10.1524/zkri.1928.68.1.239
  77. Grey I.E., Li C., Madsen I.C. et al. // Mater. Res. Bull. 1988. V. 23. № 5. P. 743. https://doi.org/10.1016/0025-5408(88)90040-2
  78. Meagher E.P., Lager G.A. // Can. Mineral. 1979. V. 17. P. 77.
  79. Kim Y., Gkountaras A., Chaix-Pluchery O. et al. // RSC Adv. 2020. V. 10. № 42. P. 25266. https://doi.org/10.1039/d0ra00842g
  80. Champagne A., Shi L., Ouisse T. et al. // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. № 11. P. 1. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.115439
  81. Ureña-Begara F., Crunteanu A., Raskin J.P. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 403. P. 717. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.160
  82. Frank O., Zukalova M., Laskova B. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2012. V. 14. № 42. P. 14567. https://doi.org/10.1039/c2cp42763j
  83. Shvets P., Dikaya O., Maksimova K. et al. // J. Raman Spectrosc. 2019. V. 50. № 8. P. 1226. https://doi.org/10.1002/jrs.5616
  84. Tolosa A., Fleischmann S., Grobelsek I. et al. // ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. № 8. P. 3790. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00572
  85. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 11. P. 1850. https://doi.org/10.1134/S0036023622601222
  86. Gorobtsov P.Y., Mokrushin A.S., Simonenko T.L. et al. // Materials. 2022. V. 15. № 7837. P. 1. https://doi.org/https://doi.org/10.3390/ma15217837
  87. Meyer J., Zilberberg K., Riedl T. et al. // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 3. https://doi.org/10.1063/1.3611392
  88. Gorobtsov P.Y., Simonenko T.L., Simonenko N.P. et al. // Colloids Interfaces. 2023. V. 7. № 1. P. 20. https://doi.org/10.3390/colloids7010020
  89. Mansfeldova V., Zlamalova M., Tarabkova H. et al. // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 3. P. 1902. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10519

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгенограммы исходного порошка MAX-фазы Ti0.2V1.8AlC (1), полученного многослойного максена Ti0.2V1.8CTx (2), а также продуктов, образовавшихся в результате нагрева до температуры 600°С в режиме термического анализа в токе аргона (3) и воздуха (4).

Скачать (290KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микроструктура агрегатов максена Ti0.2V1.8CTx по данным РЭМ.

Скачать (219KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроструктура аккордеоноподобного максена Ti0.2V1.8CTx, по данным ПЭМ.

Скачать (447KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кривые ДСК (красные) и ТГА (зеленые) образца максена Ti0.2V1.8CTx, полученные в результате термического анализа в токе аргона (а) и воздуха (б).

Скачать (227KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Раман-спектры максена T0.2V1.8CTx, записанные in situ при нагреве до заданных температур в воздушной атмосфере.

Скачать (569KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Рентгенограмма (а) и Раман-спектр (б) частично окисленного рецепторного материала с образованием нанокомпозита Ti0.2V1.8CTx/V2O5; на врезке показана область 2q = 4.5°–15°.

Скачать (331KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Микроструктура нанокомпозита Ti0.2V1.8CTx/V2O5, полученного в результате частичного окисления максена Ti0.2V1.8CTx.

Скачать (789KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость электрического сопротивления нанокомпозита Ti0.2V1.8CTx/V2O5 от температуры (а), а также его диаграмма селективности на различные газы при указанных рабочих температурах (б), динамический отклик при детектировании 100 ppm NO2 (в) и 10% O2 (г) при температурах детектирования 125–200°С.

Скачать (387KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изменение сопротивления покрытия Ti0.2V1.8CTx/V2O5 при напуске 100 ppm ацетона, этанола и аммиака (а) и соответствующие динамические отклики при комнатной температуре детектирования (б).

Скачать (194KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024