Einfluss der Bedingungen der Bildung von Pd/SnO2-Nanomaterialien auf die Eigenschaften von Wasserstoffsensoren

Hintergrund

Heutzutage wird Wasserstoff häufig für chemische Synthesen in der Industrie und als umweltfreundlicher Energieträger verwendet [1,2,3]. Wasserstoff ist ein explosives Gas und daher die Kontrolle von H₂ Inhalte in den Bereichen Verwendung, Transport und Lagerung benötigt werden. Gasanalysegeräte auf Basis von Metalloxidsensoren können vielversprechend sein, um eine solche Kontrolle zu realisieren [4,5,6].

Es ist allgemein bekannt, dass nanoskalige Materialien einige einzigartige physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, d. h. optoelektronisch [7], magnetisch [8] und katalytisch [9]. SnO₂ ist aufgrund seiner chemischen Inertheit, thermischen Stabilität und der Fähigkeit, Sauerstoff zu chemisch zu absorbieren, ein perspektivisches Material zur Herstellung von Metalloxidsensoren. Aus diesem Grund sind Nanomaterialien auf Basis von Zinndioxid als gassensitive Schichten der Sensoren zur Messung von H₂ . sehr interessant in der Luft. Eine Verbesserung der Sensorreaktionen auf Wasserstoff kann durch Zugabe von katalytisch aktiven Additiven in die gassensitive Schicht der Sensoren erreicht werden, einschließlich Pd, das einer der aktivsten Katalysatoren in einer Reaktion der Wasserstoffoxidation ist [6, 10].

Zusammensetzung des Sensormaterials, Verfahren zu seiner Herstellung und Bedingungen der Materialbildung können Einfluss auf die Partikelgröße [11,12,13] und damit auf die gassensitiven Eigenschaften des Materials haben.

Die Morphologie des Materials der sensorsensitiven Schicht einschließlich der Partikelgröße und deren Verteilung ist von großer Bedeutung, um hocheffiziente Metalloxidsensoren zu schaffen [14,15,16]. Es ist bekannt, dass eine Verringerung der Partikelgröße des sensorempfindlichen Schichtmaterials die Sensorantwort erhöhen sollte [17]. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Herstellung der Sensoren deren Hochtemperatursintern erfordert. Das Hochtemperatursintern führt jedoch zu einer Vergrößerung der Nanomaterialpartikel. Daher sollten Bedingungen eines Prozesses des Hochtemperatursinterns des Sensors die Vergrößerung der Partikel verhindern und gleichzeitig sowohl die mechanische Festigkeit der Sensoren als auch deren Leitfähigkeiten durch Kontaktbildung zwischen den Nanopartikeln des Materials des gassensitiven Schicht [18].

Eine optimale Temperatur der Sensorsinterung, die die oben aufgeführten Bedingungen erfüllen sollte, kann durch erforderliche Temperaturwerte und Zeitdauer bestimmter Stufen der Hochtemperatursinterung der Sensoren erreicht werden. Die Bildungsbedingungen des Sensor-Nanomaterials sollten auch die vollständige Kristallisation und Stabilisierung seiner Nanopartikel gewährleisten.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Bildungsbedingungen von Pd/SnO₂ . zu untersuchen Nanomaterialien mit unterschiedlichem Palladiumgehalt über die Eigenschaften von Halbleitersensoren gegenüber Wasserstoff.

Methoden

Synthese von nanoskaligem Zinndioxid

Synthese von nanoskaligem SnO₂ Materialien wurde durch ein Sol-Gel-Verfahren durchgeführt. Die Probe von SnCl₄ ·5H₂ O (m = 1,5 g) wurde in 15 ml Ethylenglykol gelöst. Die erhaltene Lösung wurde bei 110–120 °C eingedampft. Nach Verdampfen von Ethylenglykol bildete sich ein dunkelbraunes Gel. Das resultierende Gel wurde bei 150°C getrocknet, um ein Xerogel zu bilden. Das Xerogel wurde zermahlen und auf eine Keramikplatte gegeben. Um nanoskaliges SnO₂ . zu erhalten wurde die thermische Zersetzung des Xerogels an Luft unter Verwendung eines Hochtemperaturofens Gero (Deutschland) durchgeführt. Nanogroßes SnO₂ , Carboxymethylcellulose und PdCl₂ wurden verwendet, um die gasempfindlichen Materialien zu erhalten.

Vorbereitung von Adsorptions-Halbleitersensoren

Adsorptionshalbleitersensoren wurden durch Aufbringen einer Paste des gassensitiven Materials auf die Sensorkeramikplatte, die elektrische Messkontakte und eine Heizung aufwies, hergestellt [19]. Die Paste wurde durch Mischen des synthetisierten SnO₂ . hergestellt Nanomaterial und wässrige Lösung (3 Gew.-%) von Carboxymethylcellulose. Ein bestimmtes Volumen der Paste (3 μl) wurde mit der Hamilton-Spritze 85 RN SYR (5 μl) auf die Sensorkeramikplatte aufgetragen, um die gleiche Dicke der Sensorschicht bereitzustellen. Laut REM-Daten betrug die Schichtdicke des Sensors etwa 70 μm (Zusatzdatei 1:Abbildung S1, Abschnitt mit Hintergrundinformationen). Die Sensoren wurden bei 90 °C während 1 h an der Luft getrocknet. Das Einbringen von Palladium in die gassensitiven Schichten der Sensoren erfolgte durch Imprägnieren mit Palladiumchloridlösung bestimmter Konzentrationen (CPdCl₂ = 0.05 × 10 ⁻² –0,15 M). Nach der Imprägnierung wurden die Sensoren getrocknet und in einem Hochtemperaturofen mit zwei unterschiedlichen Temperaturmodi gesintert, die eine schrittweise Erwärmung der Sensoren beinhalteten (Abb. 1a, b). Die Sensoren und gasempfindlichen Materialien, die durch die Temperaturheizmodi 1 oder 2 erhalten wurden, wurden S₁ . genannt oder S₂ bzw.

Schemata der Temperaturerwärmung der Sensoren basierend auf SnO₂ . a Modus 1. b Modus 2

Messmethoden

Um einen Wert des Sensorsignals zu messen, wurden die Sensoren in Kammern platziert und mit einem speziellen Elektrostativ verbunden [20]. Die Messung erfolgte mit einem analysierten Gasfluss mit einer Geschwindigkeit von 400 ml/min. Die erforderliche Sensortemperatur wurde durch einen bestimmten Spannungswert an der Sensorheizung sichergestellt. Die Messung der Sensortemperatur erfolgte mit einem Pyrometer Optris Laser Sight (Optris, Deutschland). Die Sensoren wurden durch Alterung bei 400 °C während 1 Woche an Luft mit regelmäßiger Behandlung der Sensoren durch das Wasserstoff-Luft-Gemisch mit 1000 ppm H₂ . stabilisiert bevor Sie die gassensitiven Eigenschaften messen.

Verhältnis eines Wertes des elektrischen Widerstands des Sensors in Luft (R ₀ ) auf einen Wert seines elektrischen Widerstands in Gegenwart von 40 ppm H₂ (R _H2 ) wurde als Maß für die Sensorantwort gewählt. Die Reaktionszeit des Sensors (t _0.9 ) wurde als Zeit geschätzt, die der Sensor benötigt, um 90 % eines Gleichgewichtssignalwertes zu erreichen, wenn Luft durch ein analysiertes Gas ersetzt wird. Die Erholungszeit (τ _0,1 ) wurde als Zeit geschätzt, die der Sensor benötigt, um 10 % über dem anfänglichen Signal in Luft zu liegen, wenn das analysierte Gas durch Luft ersetzt wird.

Die Eigenschaften der Sensoren wurden unter Verwendung von Wasserstoff-Luft-Gemischen mit verschiedenen Konzentrationen von H₂ . untersucht . Luftgemische mit H₂ , CO, CH₄ , und H₂ und CO oder H₂ und CH₄ wurden verwendet, um die Selektivität der erhaltenen Sensoren abzuschätzen. Alle analysierten Gasgemische wurden im ukrainischen Zentrum für Zertifizierung und Metrologie hergestellt und getestet.

Stabilität der Reaktionen auf 40 ppm H₂ für die Sensoren S₂ (S-67 und S-69) während 6 Monaten ihrer Operation wurden untersucht.

Die Bestimmung der spezifischen Sensormaterialoberfläche erfolgte nach der Brunauer-Emmett-Teller (BET) Methode.

Der Palladiumgehalt in den Sensormaterialien wurde durch ein Atomabsorptionsverfahren unter Verwendung eines Spektrophotometers AAS1N Carl Zeiss (Jena, Deutschland) mit einem flammenden Zerstäuber bestimmt. Die Zerstäubung von Palladium wurde in einer Acetylen-Luft-Flamme (2350 °C) durchgeführt.

Die Untersuchung der Phasenzusammensetzung wurde mit einem Diffraktometer Bruker D &Advance (Strahlung CuKα ). Die Identifizierung der Probenphase wurde durch Vergleich der erhaltenen Ergebnisse und veröffentlichten kristallographischen Daten durchgeführt.

Die Untersuchung der Morphologie der Sensormaterialien durch das TEM-Verfahren wurde unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops SELMI PEM-125 K mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV durchgeführt. Die Partikelgrößenanalyse basierend auf TEM-Bildern wurde mit dem Programm Kappa Image Base durchgeführt. Um Informationen über die Partikelgrößenverteilung der erhaltenen Nanomaterialien zu erhalten, wurden ca. 300 Partikel im TEM-Bild berücksichtigt.

Die Proben der erhaltenen Nanomaterialien wurden durch das FESEM-Verfahren unter Verwendung eines Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops JEOL JSM-6700F (JEOL Ltd., Japan) und das HRTEM-Verfahren unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops JEM-2100F (JEOL Ltd., Japan) untersucht.

Die Dicke der Sensorschicht wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops JEOL JSM-6060LA (JEOL Ltd., Japan) mit einer Arbeitsspannung von 30 kV abgeschätzt.

Ergebnisse und Diskussion

Die synthetisierten Nanomaterialien auf Basis von SnO₂ [21] mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 8 nm wurden verwendet, um die Sensoren zu erstellen und den Einfluss unterschiedlicher Temperaturheizbedingungen der Sensorpräparation auf die gassensitiven Eigenschaften zu untersuchen.

Es wurde bereits früher festgestellt [19, 22, 23], dass die Bildung der gassensitiven Schicht der Sensoren, die im Temperaturheizmodus 1 mit einer Endtemperatur im Bereich von 590–620 °C während 180 min hergestellt worden waren, zu bilden die Partikel mit Größen von 5 bis 30 nm (eine durchschnittliche Größe von 17 nm). TEM-Aufnahme des Sensor-Nanomaterials S₁ erhalten mit Temperaturheizmodus 1 mit einer Endtemperatur von 590 °C ist in Abb. 2a dargestellt. Die Antwort (R ₀ /R _H2 ) des Sensors bezogen auf das Material war gleich 6,7. Durch die Verwendung von Materialien mit kleineren Partikelgrößen kann die Sensorantwort verbessert werden. Solche Partikel können möglicherweise unter Verwendung eines Temperaturheizmodus mit kürzerer Dauer bei der Endtemperatur des Sensorsinterns erhalten werden. Es wurde festgestellt, dass eine Verringerung der Dauer der Sensorerwärmung von 180 auf 80 min bei der Endtemperatur des Heizmodus 1 (590 °C) zu sehr kleinen Werten der Sensorreaktionen auf 40 ppm H_{2<. geführt hatte /sub> (R 0 /R H2 ~ 2) und hohe Werte der elektrischen Widerstandssensoren in Luft (>500 MOhm) für die meisten der hergestellten Sensoren. Diese Bedingungen des Sensorsinterns führten wahrscheinlich nicht zur Bildung einer ausreichenden Menge an Kontakten zwischen Partikeln des Materials, um den Durchgang von elektrischem Strom durch den Sensor zu ermöglichen.}

TEM-Bilder der gassensitiven Nanomaterialien a S₁ und b S₂

Um sowohl die Sensorleitfähigkeit als auch deren mechanische Festigkeit zu gewährleisten, wurde die Dauer der Sensorerwärmung auf bis zu 80 min reduziert bei gleichzeitiger Erhöhung der Endtemperatur der Sensorsinterung auf 620 °C. Darüber hinaus wurde die Dauer der Sensorerwärmung in diesem Temperaturmodus in Niedrigtemperaturbereichen des Sinterns, nämlich bei 280 und 410 °C, die den Temperaturen der CMC- und Palladiumchlorid-Zersetzung entsprachen, auf 80 min erhöht [24,25 ,26]. Diese Veränderungen in den Niedertemperaturbereichen der Sensorausbildung werden durch die Notwendigkeit der Ausbildung einer größeren Anzahl von Kontakten im Sensormaterial verursacht. Die Zunahme der Partikelgröße des Materials in den Tieftemperaturbereichen sollte sicherlich nicht so stark ausfallen, wie es bei 620 °C der Fall sein sollte. Das Schema des Heizmodus 2 mit weicheren Temperaturen des Sensorsinterns ist in Abb. 1b dargestellt.

Analyse von TEM-Aufnahmen der erhaltenen Sensormaterialien S₂ (Fig. 2b) zeigte, dass diese Materialien Partikel enthalten, die kleiner waren als Partikel des Sensormaterials S₁ (Abb. 2a):Eine durchschnittliche Partikelgröße von Zinndioxid für beide untersuchten Temperaturheizmodi 1 und 2 betrug 17 bzw. 11 nm. Eine solche Verringerung der Partikelgröße des Sensormaterials S₂ trug zu einer Erhöhung des Wertes der spezifischen Oberfläche von Zinndioxid auf 47 m ² . bei /g statt 39 m ² /g die für das Sensormaterial S₁ . gefunden wurde .

Es wurde gezeigt, dass der Palladiumgehalt im Pd/SnO₂ Nanomaterialien, die durch Imprägnierung des nanoskaligen SnO₂ . erhalten werden durch Lösungen von PdCl₂ nimmt zu, wenn auch die Konzentration von Palladiumchlorid zunimmt. Insbesondere wenn die Konzentration von PdCl₂ Lösung wurde von 0,05 mol/l auf 15 × 10 ⁻² . geändert mol/L wurde der Gehalt an Palladium-Additiven in den Nanomaterialien von 0,001 auf 0,193 Gew. % geändert.

Laut XRD-Daten unmodifiziertes Zinndioxid und Pd/SnO₂ Nanomaterialien mit unterschiedlichem Palladiumgehalt, die in beiden Temperaturmodi erhalten wurden, haben eine Kassiteritstruktur mit identischen Gitterparametern a = 0,4738 nm, b = c = 0,3187 nm [21].

FESEM-Bild des erhaltenen Sensormaterials (Abb. 3a) zeigt die Körner von SnO₂ Nanomaterial und Pd-Partikel (dargestellt durch Pfeile in Abb. 3a). Auf den HRTEM-Bildern sind klare Grenzen zwischen den Partikeln des Sensor-Nanomaterials zu sehen (Abb. 3b, c).

a FESEM und b , c HRTEM-Bilder des Sensors Pd/SnO₂ Nanomaterial

Es wurde gezeigt (Abb. 4a, b), dass die Abhängigkeit der elektrischen Widerstandswerte in Luft der Pd-haltigen Sensoren vom Palladiumgehalt bei unterschiedlichen Sensortemperaturen einen komplizierten Charakter mit einem Minimum bei niedrigen Palladiumgehalten und einem breiten Maximum bei viel höheren Pd . hat Inhalt für die beiden unterschiedlichen Temperaturheizmodi der Sensoren.

Abhängigkeit von R ₀ Werte der Sensoren a S₁ und b S₂ basierend auf Pd/SnO₂ zum Palladiumgehalt bei verschiedenen Temperaturen der Sensoren:1 410 °C, 2 382 °C, 3 355 °C, 4 327 °C, 5 295 °C, 6 261 °C und 7 225 °C

Um die erhaltenen Ergebnisse zu erklären, sei darauf hingewiesen, dass die Werte des Widerstands R ₀ und Sensorantwort mit Zusatz von Metallen (oder Oxiden) im Material der gassensitiven Schicht wurden durch Bildung gemeinsamer Grenzen zwischen Partikeln der aktiven Additive und Zinndioxid bereitgestellt [19, 27, 28]. Wenn der Sensor an der Luft erhitzt wird, nehmen diese Grenzen an der Chemisorption von Sauerstoff mit der Lokalisierung von Elektronen aus dem Leitfähigkeitsband des Halbleiters teil. Eine solche Chemisorption beeinflusst die Werte des elektrischen Widerstands des Sensors. In Gegenwart eines analysierten Gases läuft auf der Oberfläche des Halbleiters eine heterogene katalytische Reaktionsoxidation des Gases durch chemisorbierten Sauerstoff ab. Die am chemisorbierten Sauerstoff lokalisierten Elektronen kehren in das Leitfähigkeitsband des Halbleiters zurück, und der elektrische Widerstand des Sensors wird verringert. Dabei bestimmt die durch einen dynamischen Gleichgewichtszustand der Oxidationsreaktion auftretende stationäre Sauerstoffmenge an der Sensoroberfläche den Widerstandswert des Sensors. Eine Änderung des Sensorwiderstandswertes beim Austausch von Luft durch das analysierte Gas bestimmt den Wert der Sensorantwort. Unter identischen Bedingungen (gleiches Gas mit bestimmter Konzentration und gleiche Temperatur des Sensors) hängt der Wert des elektrischen Widerstands des Sensors in Luft und seine Änderung in Gegenwart des analysierten Gases (Sensorantwort) von der Länge ab der Grenze zwischen Palladium- und Zinndioxidpartikeln. Der Palladiumgehalt im Sensormaterial beeinflusst den Wert der Länge der Grenze und bestimmt somit die Eigenschaften des Sensors.

Wie aus Abb. 4a, b ersichtlich, beeinflusst die Einführung von Palladium (bis zu 0,05 % Pd) den Sensorwert R ₀ in gleicher Weise unabhängig vom Temperaturheizmodus des Sensorsinterns. Die beobachtete anfängliche Verringerung des elektrischen Widerstandswerts des Sensors kann auf das Vorhandensein von metallischem Palladium zurückzuführen sein, das gemäß den erhaltenen XPS-Daten auf der Sensoroberfläche gebildet wird [19]. Eine weitere Erhöhung des Palladiumgehalts führt zu einer leichten Erhöhung der Widerstandswerte der Sensoren S₁ und S₂ aufgrund der geringen Sauerstoff-Chemisorption an der Grenze einer sehr kleinen Länge zwischen SnO₂ und Palladiumpartikel. Es sollte beachtet werden, dass ähnliche Werte der Widerstände der Sensoren S₁ und S₂ im Bereich solch geringer Palladiumgehalte zeigen keinen signifikanten Einfluss von Palladium auf die Eigenschaften der Sensoren, die unter diesen Bedingungen durch die eigenen Eigenschaften von Zinndioxid bestimmt werden. Es wurde festgestellt, dass der Wert des elektrischen Widerstands von SnO₂ hing praktisch nicht von der Sintertemperatur des Sensors im Temperaturbereich von 590–620 °C ab, wie in [19,22,, 21–23] festgestellt wurde.

Änderung des Temperaturheizmodus der Erzeugung der Sensoren S₁ und S₂ beeinflusst ihren Widerstandswert erheblich, wenn der Palladiumgehalt erhöht wird (>0,05% Pd) (Abb. 4a, b). Tatsächlich ist der Widerstand für die Sensoren S₂ haben viel höhere Werte als die der Sensoren S₁ bei gleichen Palladiumgehalten im Konzentrationsbereich von 0,05–0,2 % Pd. Dies stimmt mit der Annahme über eine stabilisierende Rolle von Palladium überein [29], die die Vergrößerung der Nanomaterialpartikel verhindert, und der weiche Temperaturheizmodus 2 des Sensorsinterns trägt zu diesem Prozess bei. Die Länge der Grenzen zwischen Palladium- und Zinndioxidpartikeln unter diesen weichen Temperaturbedingungen wird für das Material S₂ . länger sein , und daher aufgrund einer großen Sauerstoffmenge, die an den Grenzen chemisorbiert wird, die Widerstandswerte für die Sensoren S₂ sollte größer sein als die für die Sensoren S₁ . Dies wird in einem Experiment bestätigt (Abb. 4a, b). Die Bildung der kleineren Partikel für die Pd-haltigen Nanomaterialien, die bei den weichen Temperaturbedingungen des Heizmodus 2 erhalten wurden, wurde auch durch das TEM-Verfahren bestätigt (Fig. 2b).

Schließlich kann bei sehr hohen Palladiumgehalten der Prozess der Pd-Partikelaggregation beginnen und die Länge der gemeinsamen Grenzen verringern, was zu einer Verringerung der elektrischen Widerstandswerte der Sensoren führt (Abb. 4b).

Im Allgemeinen ist eine Änderung der Sensorantworten auf Wasserstoff mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands korreliert (Abb. 4a, b und 5a, b):Eine Erhöhung der Werte des elektrischen Widerstands der Sensoren führt zu einer Erhöhung des Werte ihrer Sensorreaktionen auf H₂ . Die Antworten der Sensoren S₂ bis 40 ppm Wasserstoff sind höher als die Reaktionen der Sensoren S₁ (Abb. 5). Wie zu sehen ist (Abb. 5), verringert sich die Sensorreaktion auf H₂ wird bei den höchsten Gehalten an Pd-Additiven im Vergleich zum Sensor S₂ . beobachtet . Dies kann wahrscheinlich an der Aggregation der Palladiumcluster liegen, die die Halbleiteroberfläche zu einem großen Teil bedecken, und die Zinndioxidoberfläche wird für Wasserstoff nicht verfügbar. Aus diesem Grund wird im Experiment eine Verringerung der Sensorreaktion beobachtet.

Abhängigkeit der Sensorantwort von 40 ppm H₂ für die Sensoren a S₁ und b S₂ basierend auf Pd/SnO₂ zum Palladiumgehalt bei verschiedenen Temperaturen der Sensoren:1 410 °C, 2 382 °C, 3 355 °C, 4 327 °C, 5 295 °C, 6 261 °C und 7 225 °C

Es wurde festgestellt, dass Positionen der Maximalwerte der elektrischen Sensorenwiderstände (Fig. 4a, b) und der Sensorantworten (Fig. 5a, b) für den Sensor S₂ im Vergleich zum Sensor S₁ in einen Bereich mit höheren Palladiumgehalten verschoben werden. Dies kann eine Folge des Vorhandenseins eines relativ größeren Palladiumgehalts auf der Sensoroberfläche in einem nicht aggregierten Zustand für das Material SnO₂ . sein mit geringerer Partikelgröße. Ein solcher Zustand des Materials fördert den Anstieg des elektrischen Widerstandswerts des Sensors in Luft und die Reaktion des Sensors auf Wasserstoff.

Für den empfindlichsten Sensor S₂ basierend auf 0,09 % Pd/SnO₂ Nanomaterial wurden andere Sensoreigenschaften untersucht. Es wurde festgestellt, dass dieser Sensor in einem weiten Konzentrationsbereich bei den verschiedenen Sensorbetriebstemperaturen empfindlich auf Wasserstoff reagiert (Abb. 6). Eine Abhängigkeit der Leitfähigkeit der Sensoren von H₂ Konzentration ist in einem getesteten Bereich von H₂ . praktisch linear Konzentration (2–1000 ppm H₂ ) bei den unterschiedlichen Sensortemperaturen (327 und 382 °C) (Abb. 6). Nichtlinearität der Sensorleitfähigkeit im weiten Bereich von H₂ Konzentration bei 261 °C ist wahrscheinlich mit verschiedenen Energiebindungen von chemisorbiertem Sauerstoff an der Sensoroberfläche verbunden. Es wurde festgestellt, dass eine Nachweisgrenze von H₂ Die Messung für den empfindlichsten Sensor beträgt 2 ppm in Luft. Eine Änderung der Sensorleitfähigkeit, die bei so geringer Wasserstoffkonzentration 44–52 % erreicht, hängt von der Sensortemperatur ab. Es ist zu beachten, dass die Reaktion auf 2 ppm H₂ (R ₀ /R _H2 = 2,1 bei 261 °C) für den erstellten Sensor ist höher als eine Reaktion auf dasselbe H₂ Konzentration (R ₀ /R _H2 = 1,3 bei 265 °C) für den Sensor basierend auf nanoskaligem SnO₂ studiert in [30].

Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Sensors S₂ basierend auf 0,09 % Pd/SnO₂ Nanomaterial auf die Wasserstoffkonzentration bei verschiedenen Sensortemperaturen:1 261 °C, 2 327 °C, 3 382 °C

Es zeigte sich, dass der Sensor basierend auf S₂ Material (0,09% Pd/SnO₂ ) besitzen eine schnelle Reaktion (t _0,9 = 3 s) und Erholung (τ _0,1 = 12 s) Zeit bei 261 °C (Abb. 7). Es ist zu beachten, dass erstellte Sensoren auch eine hohe Sensorantwort haben (R ₀ /R _H2 = 19,5) bis Mikrokonzentration (40 ppm H₂ .) ) von Wasserstoff. Es ist viel besser im Vergleich zu entsprechenden Eigenschaften des Sensors auf Basis von Pd/SnO₂ Nanomaterial, das in [31] untersucht wurde, wobei die Sensorreaktion auf 50 ppm H₂ ist gleich R ₀ /R _H2 = 15.9 und die Reaktions- und Erholungszeit sind gleich t _0,9 = 120 s und τ _0,1 = 15 Minuten

Änderung der Leitfähigkeit über der Zeit für den optimalen Pd-dotierten Sensor (0,09% Pd/SnO₂ ) bei der Sensortemperatur 261 °C

Die Ergebnisse der Untersuchung der Selektivität für H₂ für die Sensoren S₂ mit 0,09 Gew. % Pd (T = 261 °C) in Gegenwart von CO und CH₄ sind in Abb. 8 dargestellt. Vergleich der Sensorantwort auf H₂ , CH₄ , oder CO derselben Konzentration (500 ppm) zeigt, dass die Sensorreaktion auf H₂ ist viel höher als bei CH₄ oder CO. Deshalb ist das Vorhandensein von CH₄ oder CO von 500 ppm Konzentration im analysierten Gasgemisch mit 500 ppm H₂ hat praktisch keinen Einfluss auf die Wasserstoffmessung (Abb. 8). Ein solcher Einfluss fehlt auch bei der Messung der Mikrokonzentration von H₂ (20 ppm) bei seiner Mischung mit 500 ppm CH₄ oder CO. Ein solches Verhalten der Sensoren kann durch verschiedene Werte der optimalen Sensortemperatur erklärt werden, die benötigt wird, um den maximalen Wert der Sensorreaktion für jedes der getesteten Gase bereitzustellen. Die optimale Temperatur des Sensors zur Messung von H₂ ist viel niedriger (261 °C) als bei CH₄ (382 °C) und CO (327 °C). Niedrige Sensortemperatur zur Messung von H₂ wird durch eine höhere Aktivität von H₂ . erklärt im Vergleich zu CH₄ und CO-Aktivitäten bei der Oxidationsreaktion auf der Sensoroberfläche. Praktisch keine Störung durch CH₄ und CO für die Sensorantwort auf H₂ (Abb. 8) unter den untersuchten Bedingungen kann auch durch eine vorherrschende Wasserstoffoxidationsreaktion erklärt werden, die aufgrund der höheren Reaktivität von H₂ . an der Oberfläche abläuft im Vergleich zu CO und CH₄ .

Reaktion des Sensors S₂ mit 0,09 Gew. % Pd (T = 261 °C) bei Exposition gegenüber einem analysierten Gasgemisch aus Luft mit 1 20 ppm H₂ , 2 500 ppm H₂ , 3 500 ppm CH₄ , 4 500 ppm CO, 5 20 ppm H₂ + 500 ppm CH₄ , 6 500 ppm H₂ + 500 ppm CH₄ , 7 20 ppm H₂ + 500 ppm CO und 8 500 ppm H₂ + 500 ppm CO

Stabilität des Sensorverhaltens im Langzeitbetrieb für zwei Sensoren S₂ basierend auf 0,09 % Pd/SnO₂ Nanomaterial während 6 Monaten untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Sensoren S₂ verloren ihre Sensorreaktionen nicht und hatten nach 6 Monaten des Sensorbetriebs keine gerichtete Drift der Sensorreaktion (Abb. 9). Dieses Ergebnis zeigt eine Möglichkeit, die erstellten Sensoren in der Praxis anzuwenden.

Reaktion auf 40 ppm H₂ der Sensoren S₂ (S-67 und S-69) basierend auf 0,09 % Pd/SnO₂ Nanomaterial während 6 Monaten ihres Betriebs bei einer Sensortemperatur von 261 °C

Schlussfolgerungen

Änderung der Bedingungen der Hochtemperaturbehandlung der Sensoren auf Basis von Pd/SnO₂ führte zur Bildung kleinerer Nanomaterialpartikel der gassensitiven Schicht des Sensors, die es ermöglichten, einen signifikanten Wert der Sensorantwort zu erreichen (R ₀ /R _H2 = 19,5) bis zur Mikrokonzentration von Wasserstoff (40 ppm) bei der Sensortemperatur von 261 °C. Die entwickelten Sensoren können Wasserstoff in einem weiten Konzentrationsbereich messen (2–1089 ppm H₂ ), haben eine untere Grenze von H₂ Erkennung und demonstrieren eine schnelle Reaktions- und Wiederherstellungszeit. Die erstellten Sensoren sind während ihres Langzeitbetriebs stabil.