بررسی خواص حسگری نانوهیبرید SnO2 و آلیاژ دوفلزی PdPt نسبت به گاز متان و تاثیر افزودن اکسیدگرافن کاهش‌یافته بر بهبود خواص حسگری آن

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 7، دوره 13، شماره 2 - شماره پیاپی 49، شهریور 1398، صفحه 87-102   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

شیوا نوازنی^{* 1}؛ علی شکوه فر²؛ مصطفی حسنی سعدی³

¹آزمایشگاه مواد پیشرفته و نانوتکنولوژی، دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

²دانشکده مهندسی و علم مواد-دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

³مرکز تحقیقاتی نانوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران،ایران

چکیده

در این مقاله، خواص حسگری نانوهیبرید SnO2-PdPt نسبت به گاز متان و تاثیر افزوده شدن اکسید گرافن کاهش‌یافته بر بهبود خواص حسگری این نانوحسگر، مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، ابتدا به روش هیدروترمال SnO2 سنتز شد و سپس با کاتالیستهای Pd، Pt و PdPt هیبرید شد. برای بررسی اثر اکسید گرافن کاهش یافته بر بهبود خواص حسگری، به جای SnO2 از SnO2-rGO سنتز شده به روش هیدروترمال درجا، استفاده شد. نتایج نشان دادند که نانوحسگر هیبریدی با آلیاژ دوفلزی نسبت به ساختارهای هیبریدی تک فلزی، پاسخ بالاتری در دمای پایین‌تر دارد و از طرف دیگر، اضافه شدن اکسید گرافن کاهش یافته، سبب کاهش دمای بهینه حسگری SnO2-PdPt و افزایش میزان پاسخ آن نسبت به متان شد. نانوحسگر SnO2-PdPt در دمای oC 200 ، به ppm1000 متان به میزان 52.22% پاسخ داد. زمان پاسخ و بازیابی آن به ترتیب 94 ثانیه و 3.5 دقیقه است، در حالیکه نانوحسگر SnO2-rGO-PdPt ، به این مقدار از متان در دمای oC 150 ، 69.5% پاسخ با زمان پاسخ و بازیابی 50 ثانیه و 4.5 دقیقه نشان داد.

کلیدواژه‌ها

نانوحسگر؛ SnO2؛ آلیاژساختار دوفلزی PdPt؛ اکسید گرافن کاهش یافته؛ گاز متان

مراجع

[1]     M. J. Prather & C. D. Holmes, “Overexplaining or underexplaining methane’s role in climate changeˮ, Proc. Natl. Acad. Sci., 201704884, 2017.

 

[2]     A. Tsuruta, T. Aalto, L. Backman, J. Hakkarainen, I. T. Van Der Laan-Luijkx, M. C. Krol, R. Spahni, S. Houweling, M. Laine & E. Dlugokencky, “Global methane emission estimates for 2000–2012 from CarbonTracker Europe-CH4 v1. 0ˮ, Geosci. Model Dev., Vol. 10, pp. 1261–1289, 2017.

 

[3]     S. Houweling, P. Bergamaschi, F. Chevallier, M. Heimann, T. Kaminski, M. Krol, A. M. Michalak & P. Patra, “Global inverse modeling of CH 4 sources and sinks: an overview of methodsˮ, Atmos. Chem. Phys., Vol. 17, pp. 235–256, 2017.

 

[4]     X. Jiang, D. Mira & D. L. Cluff, “The combustion mitigation of methane as a non-CO 2 greenhouse gasˮ, Prog. Energy Combust. Sci., 2016.

 

[5]       ح. غیور، ا. نکوبین و ا. ع. نوربخش، "بپوشش نانو سیم‌های اکسید روی بر روی الکترود آرایه های درهم تنیده طلا و بررسی عملکرد نانو حسگر گازهای الکلی"، فصلنلمه علمی پژوهشی -فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 2، صفحه 22-13، 1395.

 

[6]     K. Jain, R. P. Pant & S. T. Lakshmikumar, “Effect of Ni doping on thick film SnO 2 gas sensorˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 113, pp. 823–829, 2006.

 

[7]     X. Zhou, Y. Xu, Q. Cao & S. Niu, “Metal-semiconductor ohmic contact of SnO2-based ceramic gas sensorsˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 41, pp. 163–167, 1997.

 

[8]     W. Göpel & G. Reinhardt, “Metal oxide sensors: new devices through tailoring interfaces on the atomic scaleˮ, Sensors Updat., Vol. 1, pp. 49–120, 1996.

 

[9]     W. Walukiewicz, “Mechanism of fermi-level stabilization in semiconductorsˮ, Phys. Rev. B., Vol. 37, pp. 4760, 1988.

 

[10] A. S. M. I. Uddin, D. T. Phan & G. S. Chung, “Low temperature acetylene gas sensor based on Ag nanoparticles-loaded ZnO-reduced graphene oxide hybridˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 207 pp. 362–369, 2015.

 

[11] E. W. Hill, A. Vijayaragahvan & K. Novoselov, “Graphene sensorsˮ, Sensors Journal, IEEE., Vol. 11 pp. 3161–3170, 2011.

 

[12] L. Li, S. He, M. Liu, C. Zhang & W. Chen, “Three-dimensional mesoporous graphene aerogel-supported SnO2 nanocrystals for high-performance NO2 gas sensing at low temperatureˮ, Anal. Chem., Vol. 87, pp. 1638–1645, 2015.

 

[13] Z. K. Horastani, S. M. Sayedi, M. H. Sheikhi & E. Rahimi, “Effect of silver additive on electrical conductivity and methane sensitivity of SnO 2ˮ, Mater. Sci. Semicond. Process., Vol. 35, pp. 38–44, 2015.

 

[14] P. G. Su & L. Y. Yang, “NH 3 gas sensor based on Pd/SnO 2/RGO ternary composite operated at room-temperatureˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 223, pp. 202–208, 2016.

 

[15] S. Ahmadnia-Feyzabad, A. A. Khodadadi, M. Vesali-Naseh & Y. Mortazavi, “Highly sensitive and selective sensors to volatile organic compounds using MWCNTs/SnO 2ˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 166, pp. 150–155, 2012.

 

[16] S. C. Chang, “Sensing mechanisms of thin film tin oxideˮ, Chem. Sensors., Vol. 135, 1983.

 

[17] J. F. McAleer, P. T. Moseley, J. O. W. Norris, D. E. Williams & B. C. Tofield, “Tin dioxide gas sensors. Part 2.—The role of surface additivesˮ, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases., Vol. 84, pp. 441–457, 1988.

 

[18] N. Yamazoe, Y. Kurokawa & T. Seiyama, “Effects of additives on semiconductor gas sensorsˮ, Sensors and Actuators., Vol. 4, pp. 283–289, 1983.

 

[19] A. R. Phani, “X-ray photoelectron spectroscopy studies on Pd doped SnO2 liquid petroleum gas sensorˮ, Appl. Phys. Lett., Vol. 71, pp. 2358–2360, 1997.

 

[20] D. Haridas & V. Gupta, “Enhanced response characteristics of SnO 2 thin film based sensors loaded with Pd clusters for methane detectionˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 166, pp. 156–164, 2012.

 

[21] A. Cabot, A. Dieguez, A. Romano-Rodrıguez, J. R. Morante & N. Barsan, “Influence of the catalytic introduction procedure on the nano-SnO 2 gas sensor performances: Where and how stay the catalytic atoms?ˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 79, pp. 98–106, 2001.

 

[22] W. P. Kang, Y. Gurbuz, J. L. Davidson & D. V. Kerns, “A new hydrogen sensor using a polycrystalline diamond‐based schottky diode, J. Electrochem. Soc., Vol. 141, pp. 2231–2234, 1994.

 

[23] P. Tyagi, A. Sharma, M. Tomar & V. Gupta, “Metal oxide catalyst assisted SnO 2 thin film based SO 2 gas sensorˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 224, pp. 282–289, 2016.

 

[24] G. Sakai, N. Matsunaga, K. Shimanoe & N. Yamazoe, “Theory of gas-diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensorˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 80, pp. 125–131, 2001.

 

[25] K. Anand, O. Singh, M. P. Singh, J. Kaur & R. C. Singh, “Hydrogen sensor based on graphene/ZnO nanocompositeˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 195, pp. 409–415, 2014.

 

[26] Q. Lin, Y. Li & M. Yang, “Tin oxide/graphene composite fabricated via a hydrothermal method for gas sensors working at room temperatureˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 173, pp. 139–147, 2012.

 

[27] R. K. Mishra, S. B. Upadhyay, A. Kushwaha, T. H. Kim, G. Murali, R. Verma, M. Srivastava, J. Singh, P. P. Sahay & S. H. Lee, “SnO₂ quantum dots decorated on RGO: a superior sensitive, selective and reproducible performance for a H₂ and LPG sensorˮ, Nanoscale., Vol. 7, pp. 11971–11979, 2015.

 

[28] H. Zhang, J. Feng, T. Fei, S. Liu & T. Zhang, “SnO₂ nanoparticles-reduced graphene oxide nanocomposites for NO₂ sensing at low operating temperatureˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 190, pp. 472–478, 2014.

 

[29] S. Basu & P. Bhattacharyya, “Recent developments on graphene and graphene oxide based solid state gas sensorsˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 173, pp. 1–21, 2012.

 

[30] M. Lyubovsky & L. Pfefferle, “Complete methane oxidation over Pd catalyst supported on α-alumina. Influence of temperature and oxygen pressure on the catalyst activityˮ, Catal. Today., Vol. 47, pp. 29-44, 1999.

 

[31] S. Tymen, A. Undisz, M. Rettenmayr & A. Ignaszak, “Pt–Pd catalytic nanoflowers: Synthesis, characterization, and the activity toward electrochemical oxygen reductionˮ, J. Mater. Res., Vol. 30, pp. 2327–2339, 2015.

 

[32]    ر. خالقیان مقدم، "بررسی فعالیت کاتالیستی نانوکامپوزیت پالادیم- نانولوله های کربنی جهت الکترواکسایش متانول در پیل های سوختی و مقایسه آن با کاتالیست پلاتینی"، فصلنلمه علمی پژوهشی -فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 11، شماره 1، صفحه 161-168، 1396.

 

[33] Y. Li, H. Wang, Y. Chen & M. Yang, “A multi-walled carbon nanotube/palladium nanocomposite prepared by a facile method for the detection of methane at room temperatureˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 132, pp. 155–158, 2008.

 

[34] Y. Lu, J. Li, J. Han, H. T. Ng, C. Binder, C. Partridge & M. Meyyappan, “Room temperature methane detection using palladium loaded single-walled carbon nanotube sensorsˮ, Chem. Phys. Lett., Vol. 391, pp. 344–348, 2004.

 

[35] C. F. Cullis, T. G. Nevell & D. L. Trimm, “Role of the catalyst support in the oxidation of methane over palladiumˮ, J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases. Vol. 68, pp. 1406-1412, 1972.

 

[36] G. Lapisardi, L. Urfels, P. Gélin, M. Primet, A. Kaddouri, E. Garbowski, S. Toppi & E. Tena, “Superior catalytic behaviour of Pt-doped Pd catalysts in the complete oxidation of methane at low temperatureˮ, Catal. Today., Vol. 117, pp. 564-568, 2006.

 

[37] K. Persson, A. Ersson, K. Jansson, J. L. G. Fierro & S. G. Järås, “Influence of molar ratio on Pd–Pt catalysts for methane combustionˮ, J. Catal., Vol. 243, pp. 14-24, 2006.

 

[38] J. W. Hong, S. W. Kang, B. S. Choi, D. Kim, S. B. Lee & S. W. Han, “Controlled synthesis of Pd–Pt alloy hollow nanostructures with enhanced catalytic activities for oxygen reductionˮ, ACS Nano., Vol. 6, pp. 2410-2419, 2012.

 

[39] R. Ghosh, A. K. Nayak, S. Santra, D. Pradhan & P. K. Guha, “Enhanced ammonia sensing at room temperature with reduced graphene oxide/tin oxide hybrid filmsˮ, RSC Adv., Vol. 5, pp. 50165-50173, 2015.

 

[40] S. Navazani, A. Shokuhfar, M. Hassanisadi, M. Askarieh, A. Di Carlo & A. Agresti, “Facile synthesis of a SnO 2@ rGO nanohybrid and optimization of its methane-sensing parametersˮ, Talanta., 2018.

 

[41] A. P. Rambu, N. Iftimie, V. Nica, M. Dobromir & S. Tascu, “Efficient methane detection by Co doping of ZnO thin filmsˮ, Superlattices Microstruct., Vol. 78, pp. 61-70, 2015.

 

[42] S. B. Naghadeh, S. Vahdatifar, Y. Mortazavi, A. A. Khodadadi & A. Abbasi, “Functionalized MWCNTs effects on dramatic enhancement of MWCNTs/SnO 2 nanocomposite gas sensing properties at low temperaturesˮ, Sensors Actuators B Chem., Vol. 223, pp. 252-260, 2016.