Sensor gas berdasarkan film komposit nanotube timah dioksida-karbon dibuat dengan metode spin-coating sol-gel sederhana yang murah menggunakan PEG400 sebagai pelarut. Tembaga berstrukturnano dilapisi pada CNT/SnO2 film, dan kemudian tembaga diubah menjadi oksida tembaga pada 250 °C. Resistivitas film komposit akhir sangat sensitif terhadap keberadaan H2 S, yang menjadi mudah menempel atau terlepas pada suhu kamar. Respon dan waktu pemulihan sensor adalah 4 min dan 10 min, dan nilai sensitivitas masing-masing adalah 4,41. Sementara itu, CNT/SnO2 Sensor /CuO juga memiliki batas deteksi rendah, selektivitas tinggi terhadap H2 S, dan performa yang stabil dengan konsentrasi H2 yang berbeda S.
Dengan perkembangan industrialisasi, polusi emisi menjadi semakin serius, sehingga berbagai jenis sensor gas telah dipelajari secara luas [1,2,3,4,5,6,7]. SnO2 sebagai semikonduktor tipe-n dan ramah lingkungan telah dipelajari oleh banyak peneliti yang berbeda [8,9,10,11]. Ini dapat dianggap sebagai bahan peka gas yang sangat baik yang banyak digunakan untuk mengembangkan sensor gas karena kapasitasnya untuk menyerap molekul dalam fase gas. Mekanisme pendeteksian gas adalah perubahan konduktivitas material yang disebabkan oleh interaksi reversibel gas-padat pada permukaan timah dioksida [12]. Ada beberapa metode yang telah diadopsi untuk meningkatkan kinerja SnO2 sensor gas, termasuk doping dengan oksida logam (mis., TiO2 , La2 O3 ) [13, 14], aditif aktif katalitik (misalnya, Pt, Pd, dan Au) [9, 15,16,17,18], dan penambahan graphene dan karbon nanotube [8, 19, 20]. Ini memiliki aplikasi dalam masalah lingkungan dan masalah pemantauan gas industri, seperti SO2 [21], CO [20, 22], NO2 [23], dan H2 S [24, 25], yang mewakili kepedulian besar terhadap keselamatan lingkungan.
Hidrogen sulfida adalah gas beracun yang tidak berwarna. Ada banyak sumber hidrogen sulfida, biasanya sebagai produk dari proses dekomposisi alami dari reaksi kimia dan protein tertentu dan beberapa pengotor yang ada dalam berbagai jenis proses produksi, seperti pertambangan dan peleburan logam non-ferrous, eksplorasi minyak belerang. , industri karet dan gula, penggalian batubara kokas suhu rendah, dan perawatan rawa, kanal, dan selokan. Hidrogen sulfida adalah gas berbahaya bagi kesehatan manusia [26,27,28,29,30,31]. Bahkan konsentrasi hidrogen sulfida yang rendah juga dapat merusak indera penciuman manusia. Konsentrasi tinggi hidrogen sulfida dapat melumpuhkan saraf penciuman [30, 32]. Sebagai alat pendeteksi gas dengan hidung yang mematikan, pendeteksian hidrogen sulfida sangat diperlukan.
Studi menunjukkan bahwa karbon nanotube (CNT) adalah kandidat yang baik sebagai "dopan" potensial SnO2 [19, 33]. CNT memiliki luas permukaan yang besar dan mudah untuk adsorpsi molekuler [34]. Dan CNT juga dapat mempengaruhi lingkungan elektrostatik transfer muatan material, sehingga meningkatkan kinerja SnO2 sensor.
Sensor gas berdasarkan SnO2 telah terbukti mendeteksi nitrogen dioksida, karbon monoksida, gas minyak cair [35], gas senyawa organik yang mudah menguap, dan gas serta uap lainnya. Namun, untuk mendapatkan respons yang wajar, suhu pengoperasian sensor ini secara konvensional harus di atas 200 °C. Hampir tidak ada tanggapan yang masuk akal pada suhu kamar. Frank dkk. [19] mengembangkan sensor gas untuk H2 S pada suhu kamar dengan film komposit nanotube timah dioksida-karbon. Meskipun waktu respons dan pemulihan sensor gas jauh lebih singkat, sensitivitasnya rendah.
Dalam makalah ini, sensor gas baru berbasis karbon nanotube-timah dioksida (CNTs/SnO2 ) film komposit dengan nano-tembaga oksida telah berhasil disintesis. Sensor dapat mendeteksi H2 S dengan konsentrasi rendah dengan response time hingga puluhan detik. Yang paling penting adalah sensitivitasnya jauh lebih tinggi dibandingkan sensor gas lainnya pada suhu ruangan.
CNT dibeli dari Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd., Chinese Academy of Sciences. Kami memperlakukan nanotube karbon untuk pengasaman dengan rasio volume 3:1 asam sulfat pekat dan asam nitrat pekat. Pertama, SnCl4, sebagai bahan baku untuk SnO2 dengan sol-gel, dilarutkan dalam EG pada suhu 80 °C dengan pengadukan magnet. CNT ditambahkan ke larutan di atas dan diaduk secara magnetis pada suhu 80 °C selama 3 jam. Kemudian, suhu naik hingga 120 °C untuk reaksi hidrolisis sekitar 3 h. Setelah itu, PEG-400 ditambahkan ke dalam larutan dengan pengadukan magnet untuk memudahkan perolehan film permukaan. Metode spin-coating telah digunakan untuk membentuk film permukaan komposit dalam substrat silika. Kami menggunakan tungku tabung untuk perlakuan pemanasan pada 450 °C selama satu jam dari film spin-coating yang akan membentuk CNT/SnO2 film komposit. Selanjutnya, tembaga berstruktur nano sekitar 6 nm dilapiskan pada film komposit dengan metode evaporasi vakum dengan arus 23 Å dan laju penguapan 2 Å/s. Kemudian tembaga diubah menjadi oksida tembaga pada 250 °C selama sekitar 2 jam. Akhirnya, kami menggunakan penguapan vakum untuk membentuk elektroda interdigital emas. Sampel sensor disajikan pada Gambar. 1. Kami juga menyiapkan untuk SnO2 dan SnO2 /CuO nanokomposit dengan cara yang sama untuk perbandingan.
Skema a tampilan atas sensor gas dan b stereogram sensor gas
Gambar 2 menunjukkan sistem pendeteksian gas dan nitrogen digunakan sebagai gas pembawa. Konsentrasi asli H2 S adalah 1000 ppm. Konsentrasi uji yang dibutuhkan diperoleh dari campuran gas pembawa dan gas analit sehingga dapat dicapai kadar ppm yang diinginkan. Konsentrasi gas analit dikontrol dengan tepat oleh flow meter digital yang mengontrol laju aliran gas pembawa dan gas analit. Ini mempertahankan laju aliran 400 sccm ketika gas melewati ruang uji. Dan laju aliran gas pembawa dan analit diubah untuk mendapatkan konsentrasi yang dibutuhkan oleh flow meter digital. Standar pengujian gas dilakukan pada suhu kamar, tekanan atmosfer, dan atmosfer gas nitrogen dengan kelembaban relatif yang dapat diabaikan.
Penyiapan yang digunakan untuk deteksi gas
Sensor disimpan dalam ruang uji yang dibuat oleh Teflon. Ruang uji terdiri dari empat elektroda ekstraksi, akses gas, dan saluran udara. Itu dapat ditempatkan di atas empat sampel sensor di ruang uji, sehingga kami dapat menguji empat sensor secara bersamaan. Keithley 2700 diterapkan untuk mendeteksi perubahan resistansi sensor. Berkomunikasi dengan komputer melalui perangkat lunak, data waktu nyata akan ditampilkan langsung di komputer.
Resistansi sensor dapat diperoleh dari Keithley 2700 secara real-time. Kurva perubahan hambatan dapat diperoleh dan ditampilkan di layar komputer. Berikut ini adalah rumus dari respon dan sensitivitas gas.
$$ \mathrm{Sensitivitas}=\frac{R_a-{R}_c}{\Delta C}=\frac{\Delta R}{\Delta C} $$ (1) $$ \mathrm{Response}=\ frac{R_a-{R}_c}{R_c}=\frac{\Delta R}{R_c} $$ (2)dimana R c mewakili resistansi perangkat dalam gas pembawa N2 . murni , R a adalah hambatan campuran gas pembawa dan gas analit, dan C adalah perubahan konsentrasi gas analit, masing-masing.
FESEM dilakukan untuk mendapatkan karakteristik morfologi sampel seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar 3 a menunjukkan karbon nanotube murni; dalam gambar, mereka berkumpul menjadi satu kelompok dan strukturnya sangat intensif sehingga gas hampir tidak bisa masuk ke dalam nanotube karbon. Dan ada banyak kotoran di permukaan karbon nanotube. Dari Gambar 3 b dan c, pengotor telah hilang dan nanotube karbon menjadi lebih longgar setelah perlakuan oksidasi. Bubuk dari bahan langkah pertama CNTs/SnO2 dikumpulkan dan gambar FESEM ditunjukkan pada Gambar. 3 d dan e. Tabung nano karbon yang dapat ditemukan pada gambar sedikit lebih tebal dan kasar dibandingkan dengan tabung nano karbon pada Gambar 3 c. Ini adalah lapisan oksida timah ke nanotube karbon. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 f, film komposit yang disiapkan telah diselidiki. Struktur berpori dan longgar terlihat di permukaan. Sangat mungkin untuk membentuk struktur inti-cangkang yang merupakan karbon nanotube sebagai nuklir, oksida timah, dan oksida tembaga sebagai cangkang. Dan tabung nano karbon di area ini mungkin memainkan peran sebagai muatan transmisi.
Gambar FESEM dari a nanotube karbon murni; b , c nanotube karbon dengan perlakuan oksidasi; d , e CNT/SnO2 nanokomposit; dan f CNT/SnO2 /CuO nanokomposit film
Sampel yang disiapkan diperiksa dengan karakterisasi XRD dan kurva XRD ditunjukkan pada Gambar 4. Kita dapat dengan jelas melihat puncak yang jelas pada 2θ dari 26° yang merupakan puncak XRD khas untuk CNT. Selain itu, puncak difraksi pada 26,6°, 33,8°, 51,8°, 54,7°, dan 65,9° terindeks pada SnO2 (Kartu JCPDS no. 41-1445). Dan karena kandungan CuO terlalu rendah, puncak CuO tidak terlihat jelas. Tapi kita masih bisa menemukan puncak lemah di 35,5°, 38,6°, 48,8°, 61,5°, dan 66,3° yang mengindeks CuO (kartu JCPDS no. 89-2529).
Pola XRD dari CNT/SnO2 dan CNT/SnO2 /CuO nanokomposit
a Tanggapan dari CNT/SnO2 dan CNT/SnO2 /CuO nanokomposit menjadi H2 S. b Sensitivitas CNT/SnO2 dan CNT/SnO2 /CuO ke H2 S
Tanggapan dari CNT/SnO2 nanokomposit dan CNT/SnO2 /CuO nanokomposit menjadi hidrogen sulfida ditunjukkan pada Gambar 5 a dengan konsentrasi 10, 20, 40, 60, dan 80 ppm. Saat bahan sensor terpapar pada konsentrasi H2 . yang berbeda S pada suhu kamar, mereka menunjukkan perilaku sinyal resistensi (respon) sebagai fungsi waktu [19]. Perhatikan bahwa CNT/SnO2 nanokomposit pada dasarnya tidak menunjukkan respon. Meskipun ada beberapa perbedaan kecil tentang resistansi dasar konsentrasi dari 20 sampai 40 ppm, CNTs/SnO2 /CuO nanokomposit terutama menjaga reversibilitas yang baik. Dapat dilihat dari diagram bahwa ketika H2 Gas S dilepaskan ke dalam ruang uji (gas menyala), waktu respons adalah 4 min. Secara analog, sedangkan H2 Gas S dikeluarkan dari ruang uji (gas off), resistansi meningkat dengan waktu pemulihan 10 min. Waktu respons dan waktu pemulihan didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan keluaran sensor untuk masing-masing mencapai 90% dari respons tertinggi atau 90% dari minimum. Pada Gambar 5a, kita juga dapat memperolehnya sebagai konsentrasi H2 Gas S meningkat, variasi resistansi berkurang. Ini mungkin alasan bahwa sensor mencapai konsentrasi saturasi saat konsentrasi gas meningkat. Gambar 5 b menunjukkan nilai sensitivitas H2S dari CNTs/SnO2 dan CNTs/SnO2/CuO yang diperoleh dari Persamaan. (1). Dari plot, hubungan antara resistansi relatif (ΔR) dan konsentrasi relatif (ΔC) adalah linier perkiraan. Nilai sensitivitas CNTs/SnO2/CuO adalah 4,41, sedangkan CNTs/SnO2 adalah 5,95 × 10−4. Dibandingkan dengan CNTs/SnO2, sensitivitas bahan nanokomposit CNTs/SnO2/CuO menunjukkan sangat meningkat pada suhu kamar.
a , b Perbandingan kinerja nanokomposit dalam mendeteksi H2 S
Selain itu, perbandingan kinerja SnO2 , CNT/CuO, SnO2 /CuO, dan CNTs/SnO2 /CuO nanokomposit dalam mendeteksi H2 S ditunjukkan pada Gambar. 6. Ini menunjukkan bahwa CNTs/SnO2 Sensor berbasis /CuO memiliki kurva respons yang lebih halus yang berarti lebih sedikit gangguan. Sementara itu, CNT/SnO2 Sensor berbasis /CuO menunjukkan lebih sensitif dalam mendeteksi H2S.
Untuk menyelidiki pengulangan sensor, kami menguji karakteristik respons dan pemulihan pada 40 ppm H2 S dan suhu ruangan, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 7. Kurva menunjukkan bahwa sensor CNTs/SnO2 /CuO memiliki pengulangan dan stabilitas yang baik dalam konsentrasi 40 ppm H2 S. Siklus reversibel pertama dari respons memiliki beberapa gangguan di wilayah pemulihan. Ini mungkin menjadi alasan bahwa garis dasar resistansi sensor tidak terlalu mulus. Seiring berjalannya waktu, garis dasar resistensi menjadi lebih mulus sehingga siklus respons dan kurva pemulihan yang dapat dibalik kemudian menjadi jauh lebih baik. Waktu respons dan pemulihan sensor mungkin sedikit lebih lama daripada beberapa sensor yang mungkin terkait dengan beberapa faktor termasuk ketebalan lapisan penginderaan, difusi gas, dan jumlah adsorpsi gas pada bahan penginderaan pada operasi yang berbeda. suhu [36,37,38]. Sensor CNT/SnO2 /CuO mungkin suhu operasi suhu kamar. Pada suhu kamar, reaksi kimia anorganik mungkin sedikit lambat yang membuat hasilnya. Alasan lain, mungkin sensitivitas tinggi yang membutuhkan waktu untuk menyerap gas dan melepaskan gas.
Pengulangan sensor CNT/SnO2 /CuO dalam konsentrasi 40 ppm H2 S
Gambar 8 menunjukkan diagram batang yang menggambarkan selektivitas gas CNT/SnO2 /CuO sensor pada 40 ppm menuju empat gas. Jelas terlihat bahwa sensitivitas sensor terhadap H2 S adalah 19% yang merupakan respon maksimum dari keempat gas. Selain itu, sensitivitas sensor terhadap NH3 adalah 4,1% yang merupakan respon maksimal kedua. Dan sensitivitas dari dua gas lainnya jauh lebih rendah daripada yang pertama yang hampir tidak ada respon. Terungkap bahwa sensor memiliki selektivitas yang lebih baik terhadap H2 S dari CO, SO2 , dan NH3 . Dan itu semua bermuara pada berbagai gas yang memiliki energi berbeda ketika bereaksi dengan bahan sensor. Reaksi H2 Molekul S dengan CNTs/SnO2 /CuO materi bisa lebih cepat dan lebih responsif. CNT/SnO2 /CuO sensor menunjukkan yang paling sensitif terhadap H2 S dibandingkan dengan gas lainnya.
Selektivitas sensor dalam 40 ppm untuk H2 S, NH4 , CO, dan SO2
Ditemukan bahwa CNT/SnO2 Sensor berbasis /CuO menunjukkan penurunan besar dalam resistensi film tipis saat terpapar H2 S gas. Ada dua alasan utama yang dapat menjelaskan mekanisme deteksi sensitif dan selektif CNTs/SnO2 /CuO nanokomposit. Pertama-tama, struktur cangkang inti CNTs/SnO2 nanokomposit menyediakan area permukaan yang lebih besar untuk menyerap dan menyebarkan molekul gas. Maka kunci untuk meningkatkan kinerja gas sensing adalah terbentuknya p–n heterojunction antara SnO2 dan CuO. p-CuO/n-SnO2 antarmuka akan membentuk lapisan penipisan pembawa muatan yang menyebabkan resistensi tinggi bahan penginderaan di udara, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a. Saat terkena H2 Gas S, CuO diubah menjadi CuS, yang memutus heterojungsi p-n. Jadi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9 b, lapisan penipisan menjadi lebih tipis dan menyebabkan resistansi material penginderaan yang rendah.
a , b Mekanisme penginderaan SnO2 /CuO heterojunction untuk mendeteksi H2 S gas
Singkatnya, CNT/SnO2 /CuO nanokomposit telah disintesis dengan cara murah yang sederhana. Dan sensor yang menggunakan CNTs/SnO2 /CuO nanokomposit sebagai bahan aktif telah dikembangkan dan diuji pada kondisi standar pada suhu kamar. Sensor memiliki respon cepat (4 min) dan pemulihan (10 min) pada suhu kamar. Dan CNT/SnO2 Sensor gas /CuO dapat mendeteksi H2 Konsentrasi S serendah 10 ppm. Sementara itu, CNT/SnO2 Sensor gas /CuO menunjukkan kinerja yang lebih baik daripada CNTs/SnO2 sensor. Selain itu, sensor memiliki pengulangan dan stabilitas yang baik dalam konsentrasi 40 ppm H2 S dan memiliki selektivitas yang lebih baik terhadap H2 S dibandingkan gas lainnya. Oleh karena itu, CNT/SnO2 /Sensor gas /CuO berguna dalam banyak situasi pada suhu kamar, seperti keamanan industri.
Semua data tersedia sepenuhnya tanpa batasan.
Tabung nano karbon
Etilen glikol
Mikroskop elektron pemindaian emisi medan
Polietilen glikol
Difraktometer sinar-X
bahan nano
Abstrak Selama beberapa dekade terakhir, kemajuan dalam perangkat Sistem Mikroelektromekanis (MEMS) sangat dituntut untuk mengintegrasikan sensor mini yang ekonomis dengan teknologi fabrikasi. Sensor adalah sistem yang mendeteksi dan merespon beberapa input fisik dan mengubahnya menjadi bentuk anal
Abstrak Dalam karya ini, SnO tetragonal bermuatan CuO2 nanopartikel (CuO/SnO2 NPs) disintesis menggunakan metode presipitasi/impregnasi dengan kandungan Cu yang bervariasi dari 0–25% berat dan dikarakterisasi untuk H2 deteksi S. Fase material, morfologi, komposisi kimia, dan luas permukaan spesifik
Banyak sensor suhu yang berbeda menggunakan prinsip dan teknologi pengukuran yang berbeda untuk mencapai pengukuran. Beberapa bekerja paling baik dalam kondisi tertentu, sementara yang lain fleksibel dan dapat digunakan pada berbagai kondisi. Sensor suhu termasuk termistor, detektor suhu resistansi,
Divisi Pengukuran Kaman Precision Products, Inc. mengumumkan ketersediaan jajaran sensor dan sistem perpindahan presisi tinggi Extreme Environment. Dengan konstruksi semua-las dan kedap udara, sensor dan sistem ideal untuk pengujian validasi mesin roket dan turbin, menurut Kaman. Mereka juga ditaw
