Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Cảm biến khí acetone và ethanol nhạy cao ở nhiệt độ thấp dựa trên graphene tạo ra bởi laser phủ bạc/oxit titan
Journal of Materials Science - 2024
Tóm tắt
Sự gia tăng những mối lo ngại về môi trường và an toàn đã thúc đẩy việc phát triển các cảm biến khí tiên tiến có khả năng nhận diện hiệu quả các chất hữu cơ bay hơi và nguy hiểm. Nhiều loại cảm biến đã được sử dụng để phát hiện các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs). Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo về thiết kế thành công của các cảm biến chemiresistive dựa trên graphene dạng xốp được tạo ra bởi laser (LIG) nhằm phát hiện hiệu quả các VOC, bao gồm acetone và ethanol. LIG xốp 3D linh hoạt đã được sản xuất bằng cách gia công laser femtosecond trên băng polyimide. LIG xốp 3D chủ yếu bao gồm các lớp graphene bội phần tạo thành từ hai hoặc nhiều lớp đơn. Để nâng cao khả năng của các cảm biến, chúng tôi đã tạo ra các thiết bị dị hợp kim dựa trên LIG bằng cách trang trí LIG bằng các hạt nano Ag và TiOx (x ≤ 2) sử dụng phương pháp lắng đọng laser xung femtosecond. Các thí nghiệm của chúng tôi cho thấy độ nhạy của cảm biến LIG tăng lên khi chúng được trang trí bằng các hạt nano Ag và TiOx. Trong số này, các thiết bị LIG được trang trí bằng các hạt nano Ag cho thấy độ nhạy và phản ứng cao nhất so với các loại khác. Cảm biến hoạt động với khả năng phản ứng ngược ở nhiệt độ môi trường đối với các VOC mục tiêu ở nồng độ dưới 3000 ppm. Ngoài ra, chúng tôi giới thiệu cơ chế để giải thích các phát hiện của chúng tôi. Cơ chế này dựa trên sự khác biệt về chức năng công việc và sự căn chỉnh mức năng lượng liên quan đến các tương tác giữa các chất hấp phụ và chất hấp phụ. Độ nhạy được cải thiện của cảm biến LIG dạng xốp trang trí bằng hạt nano Ag được cho là nhờ vào chức năng công việc thuận lợi của Ag và sự sẵn có phong phú của các vị trí hấp phụ.
Từ khóa
#Cảm biến khí #graphene tạo ra bởi laser #hợp chất hữu cơ bay hơi #độ nhạy #bạc #oxit titanTài liệu tham khảo
Gai LY et al (2022) Recent advances in ethanol gas sensors based on metal oxide semiconductor heterojunctions. Rare Met 41(6):1818–1842. https://doi.org/10.1007/S12598-021-01937-4
Wild R, Citterio D, Spichiger J, Spichiger UE (1996) Continuous monitoring of ethanol for bioprocess control by a chemical sensor. J Biotechnol 50(1):37–46. https://doi.org/10.1016/0168-1656(96)01547-7
Walker J, Karnati P, Miller DR, Al-Hashem M, Akbar SA, Morris PA (2020) A new open-access online database for resistive-type gas sensor properties and performance. Sens Actuators B Chem 321:128591–128599. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2020.128591
Wang L et al (2019) Directly transforming SnS2 nanosheets to hierarchical SnO2 nanotubes: towards sensitive and selective sensing of acetone at relatively low operating temperatures. Sens Actuators B Chem 292:148–155. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2019.04.127
Leenaerts O, Partoens B, Peeters FM (2008) Adsorption of H2O, NH3, CO, NO2, and NO on graphene: a first-principles study. Phys Rev B Condens Matter Mater Phys 77(12):125416–125421. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.77.125416
Shen Y, Yamazaki T, Liu Z, Meng D, Kikuta T, Nakatani N (2009) Influence of effective surface area on gas sensing properties of WO3 sputtered thin films. Thin Solid Films 517(6):2069–2072. https://doi.org/10.1016/J.TSF.2008.10.021
Ghanbari R, Safaiee R, Sheikhi MH, Golshan MM, Horastani ZK (2019) Graphene decorated with silver nanoparticles as a low-temperature methane gas sensor. ACS Appl Mater Interfaces 11(24):21795–21806. https://doi.org/10.1021/ACSAMI.9B00625
Chakraborty M, Hashmi MSJ (2018) Graphene as a material – an overview of its properties and characteristics and development potential for practical applications. Ref Module Mater Sci Mater Eng. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.10319-4
Castro Neto AH, Guinea F, Peres NMR, Novoselov KS, Geim AK (2009) The electronic properties of graphene. Rev Mod Phys 81(1):109–162. https://doi.org/10.1103/REVMODPHYS.81.109
Ali A, Khan ZS, Jamil M, Khan Y, Ahmad N, Ahmed S (2018) Simultaneous reduction and sulfonation of graphene oxide for efficient hole selectivity in polymer solar cells. Curr Appl Phys 18(5):599–610. https://doi.org/10.1016/J.CAP.2018.02.016
Wang H, Zhao Z, Liu P, Guo X (2022) A soft and stretchable electronics using laser-induced graphene on polyimide/PDMS composite substrate. NPJ Flex Electron 6(1):1–10. https://doi.org/10.1038/s41528-022-00161-z
Stanford MG, Yang K, Chyan Y, Kittrell C, Tour JM (2019) Laser-induced graphene for flexible and embeddable gas sensors. ACS Nano 13(3):3474–3482. https://doi.org/10.1021/ACSNANO.8B09622
Lee Y et al (2023) Ultra-thin light-weight laser-induced-graphene (LIG) diffractive optics. Light Sci Appl 12(1):1–33. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01143-0
Martinelli LA, Filoso S (2007) Polluting effects of Brazil’s sugar-ethanol industry. Nature 445(7126):364–364. https://doi.org/10.1038/445364c
Semenov IP, Men’shchikov VA, Sycheva OI (2020) Pilot tests of a catalyst for the production of ethyl acetate from ethanol. Catal Ind 12(4):287–291. https://doi.org/10.1134/S2070050420040066
Taylor JE et al (2005) Effect of processing route and acetone pre-treatment on the biostability of pellethane materials used in medical device applications. Biomaterials 26(33):6467–6476. https://doi.org/10.1016/J.BIOMATERIALS.2005.04.009
Fujino A et al (1992) Biological monitoring of workers exposed to acetone in acetate fibre plants. Occup Environ Med 49(9):654–657. https://doi.org/10.1136/OEM.49.9.654
Wu JM (2010) A room temperature ethanol sensor made from p-type Sb-doped SnO2 nanowires. Nanotechnology 21(23):235501. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/23/235501
Zhao Q, Gao Y, Bai X, Wu C, Xie Y (2006) Facile synthesis of SnO2 hollow nanospheres and applications in gas sensors and electrocatalysts. Eur J Inorg Chem 2006(8):1643–1648. https://doi.org/10.1002/EJIC.200500975
Wang Y, Jiang X, Xia Y (2003) A solution-phase, precursor route to polycrystalline SnO2 nanowires that can be used for gas sensing under ambient conditions. J Am Chem Soc 125(52):16176–16177. https://doi.org/10.1021/JA037743F
Zhang W et al (2014) Single porous SnO2 microtubes templated from Papilio maacki bristles: new structure towards superior gas sensing. J Mater Chem A Mater 2(13):4543–4550. https://doi.org/10.1039/C3TA13845C
Zhang D, Liu A, Chang H, Xia B (2014) Room-temperature high-performance acetone gas sensor based on hydrothermal synthesized SnO2 -reduced graphene oxide hybrid composite. RSC Adv 5(4):3016–3022. https://doi.org/10.1039/C4RA10942B
Xie Y (2022) Simulation calculation verification of graphene oxide-decorated silver nanoparticles growing on titania nanotube array as SERS sensor substrate. Chemosensors 10(12):507–516. https://doi.org/10.3390/CHEMOSENSORS10120507
Goutham S, Jayarambabu JPN, Rao KV (2021) Few layer graphene/silver nanocomposite based flexible and resistive liquefied petroleum gas sensor. J Mater Sci Mater Electron 32(19):23889–23899. https://doi.org/10.1007/S10854-021-06835-0
Martins PM et al (2018) TiO2/graphene and TiO2/graphene oxide nanocomposites for photocatalytic applications: a computer modeling and experimental study. Compos B Eng 145:39–46. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESB.2018.03.015
Gillespie PNO, Martsinovich N (2019) Origin of charge trapping in TiO2/Reduced graphene oxide photocatalytic composites: insights from theory. ACS Appl Mater Interfaces 11(35):31909–31922. https://doi.org/10.1021/ACSAMI.9B09235
Ghanbari R, Safaiee R, Golshan MM (2018) A dispersion-corrected DFT investigation of CH4 adsorption by silver-decorated monolayer graphene in the presence of ambient oxygen molecules. Appl Surf Sci 457:303–314. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2018.06.271
Mohammadi-Manesh E, Ahmadvand N, Rahmani S (2023) Ag-doped monolayer and bilayer graphene for the gas sensor and purifier of industrial oils. Comput Theor Chem 1228:114274–114279. https://doi.org/10.1016/J.COMPTC.2023.114274
Ali A, Piatkowski P, Nawaz T, Ahmad S, Ibrahim T, Khamis M, Alnaser AS (2023) A two-step femtosecond laser-based deposition of robust corrosion-resistant molybdenum oxide coating. Materials 16(3):909–924. https://doi.org/10.3390/MA16030909
Nawaz T, Ali A, Ahmad S, Piatkowski P, Alnaser AS (2023) Enhancing anticorrosion resistance of aluminum alloys using femtosecond laser-based surface structuring and coating. Nanomaterials 13(4):644–657. https://doi.org/10.3390/NANO13040644
“Nitrogen | XPS Periodic Table | Thermo Fisher Scientific - AE.” Accessed: Sep. 27, 2023. [Online]. Available: https://www.thermofisher.com/ae/en/home/materials-science/learning-center/periodic-table/non-metal/nitrogen.html
Johra FT, Lee JW, Jung WG (2014) Facile and safe graphene preparation on solution based platform. J Ind Eng Chem 20(5):2883–2887. https://doi.org/10.1016/J.JIEC.2013.11.022
Ferrari AC, Basko DM (2013) Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nat Nanotechnol 8(4):235–246. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.46
Akhavan O, Ghaderi E, Hashemi E, Rahighi R (2014) Ultra-sensitive detection of leukemia by graphene. Nanoscale 6(24):14810–14819. https://doi.org/10.1039/C4NR04589K
Hwangbo Y et al (2014) Interlayer non-coupled optical properties for determining the number of layers in arbitrarily stacked multilayer graphenes. Carbon N Y 77:454–461. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2014.05.050
Yao Y, Wei Y, Chen S (2015) Size effect of the surface energy density of nanoparticles. Surf Sci 636:19–24. https://doi.org/10.1016/J.SUSC.2015.01.016
Lin Z, Ba DC, Liu CM (2012) Surface energy and work of adhesion of titania-related materials. Phys Proced 32:580–589. https://doi.org/10.1016/J.PHPRO.2012.03.604
Nakamura M, Sirghi L, Aoki T, Hatanaka Y (2002) Study on hydrophilic property of hydro-oxygenated amorphous TiOx: OH thin films. Surf Sci 507:778–782. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(02)01352-3
Wang R, Sakai N, Fujishima A, Watanabe T, Hashimoto K (1999) Studies of surface wettability conversion on TiO2 single-crystal surfaces. J Phys Chem B 103(12):2188–2194. https://doi.org/10.1021/jp983386x
Anandan S, Narasinga Rao T, Sathish M, Rangappa D, Honma I, Miyauchi M (2013) Superhydrophilic graphene-loaded TiO2 thin film for self-cleaning applications. ACS Appl Mater Interfaces 5(1):207–212. https://doi.org/10.1021/am302557z
Somlyai-Sipos L, Baumli P (2022) Wettability of metals by water. Metals 12(8):1274. https://doi.org/10.3390/MET12081274
Gautam M, Jayatissa AH (2012) Ammonia gas sensing behavior of graphene surface decorated with gold nanoparticles. Solid State Electron 78:159–165. https://doi.org/10.1016/J.SSE.2012.05.059
Nemade KR, Waghuley SA (2013) Chemiresistive gas sensing by few-layered graphene. J Electron Mater 42(10):2857–2866. https://doi.org/10.1007/S11664-013-2699-4