Veda a výskum

Nanočastice Fe2O3 ako detekčné médium v chemických senzoroch plynov a pár

Dr.h.c. prof. Ing. Štefan Luby, DrSc.

Fyzikálny ústav SAV, Bratislava

Nízkodimenzionálne 0D nanoštruktúry – nanočastice (NČ) a ich vrstvy sa vzhľadom na veľký špecifický povrch používajú ako detekčné médium v senzoroch plynov a pár v monitoringu životného prostredia, v osobnej bezpečnosti, lekárskej diagnostike a i. Vo FÚ SAV sa využívajú biokompatibilné magnetické NČ γ – Fe2O3 (maghemit) v senzoroch NO2 a acetónu. Syntetizovali sa z Fe-acetylacetonátu a pokryli sa surfaktantom z kyseliny olejovej a olejového aminu. Sú monodisperzné s priemerom 6,4 ± 0,6 nm a teoretickým resp. meraným špecifickým povrchom 178 a < 300 m2/g (BET metóda). NČ monovrstvy sa deponovali na kontaktmi opatrenú Al2O3 keramiku alebo kremík modifikovanou patentovanou Langmuir-Schaeferovou metódou. S cieľom potlačiť trhanie vrstiev na hranách zapúšťali sa kontakty do Si podložky. Odpoveď senzora na oxidujúce a redukujúce plyny (rast resp. pokles elektrického odporu NČ vrstvy typu N) sa merala do 500 oC a v prípade NO2 dosahuje až 150 násobok. Senzory sú citlivosťou porovnateľné s komerčnými súčiastkami z SnO2. Vzhľadom na vysokú saturačnú magnetizáciu 62,5 emu/g (pri 300 K) sa Fe2O3 NČ hodia pre multifunkčné senzory. Vďaka voľnej povrchovej energii sú NČ stabilné až do 550 oC; potom nastáva transformácia na α – Fe2O3. Dolný detekčný limit (pri odpovedi konvergujúcej k nule) je 95 ppb pri NO2 a 790 ppb pri acetóne. Hodnoty možno ešte znížiť takmer na štvrtinu dopovaním vrstvy paládiom. Senzory sú vhodné na sledovanie čistoty ovzdušia a na diagnostiku pri ochorení diabetes. Monodisperzné súbory NČ (označenie pri rozptyle rozmerov pod 10 %) umožňujú modelovať mechanizmus elektrickej vodivosti a zo závislosti Arrheniovho typu stanoviť jej aktivačnú energiu, ktorá je ≥ 0,2 eV. Téma je zhrnutá v [1]. Úloha sa riešila v spolupráci FÚ SAV (Š. Luby), Univerzity Salento (A. Luches) a CNR Lecce (R. Rella), Taliansko, v projektoch NATO a CNR – SAV. [1] Š. Luby, Nanosvet na dlani, VEDA, vydavateľstvo SAV, Bratislava 2016, 174 s., ISBN 978-80-224-1548-4.

http://dx.doi.org/10.1021/la404542u

http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2016.12.027

Image1

Experimentálny senzor

 

Image2

Monovrstvy NČ na Si po nanesení (a) a po odstránení surfaktantu UV žiarením (b) zobrazené v rastrovacom elektrónovom mikroskope. Korelačné funkcie v dolnej časti vyjadrujú pravdepodobnosť že NČ nájdeme vo vzájomných vzdialenostiach r. Po odstránení surfaktantu vznikajú vo vrstve vakančné miesta, preto na dosiahnutie elektrickej konektivity senzor využíva min. 4 po sebe nanesené vrstvy.

 

Image3

Odozva senzora na koncentráciu NO2 vo vzduchu 0,5 až 10 ppm v závislosti od pracovnej teploty. I sú hodnoty meraného prúdu v čistom vzduchu a v jeho zmesi s NO2.