Термокаталитический газовый сенсор на основе наночастиц палладия, синтезируемых методом искровой абляции
DOI:
https://doi.org/10.47813/2782-2818-2022-2-4-0501-0519Ключевые слова:
термокаталитический газовый сенсор, искровой разряд, палладиевые наночастицы, функциональные чернила, микроплоттерная печатьАннотация
Продемонстрирована возможность изготовления термокаталитических газовых сенсоров с каталитическим слоем на основе наночастиц палладия, синтезируемых методом искровой абляции с использованием слитков палладия чистотой 99,96 масс.% в качестве исходного материала. Для реализации сенсора использована коммерчески доступная МЭМС платформа на основе тонкой мембраны из стеклокерамики толщиной 50–60 мкм с интегрированным микронагревателем. Синтезированные наночастицы в составе устойчивых функциональных чернил с концентрацией порядка 25 масс.% наносились на обратную относительно микронагревателя сторону мембраны с помощью специализированного микроплоттера SonoPlot GIX Microplotter II. Полученная структура отжигалась при температуре 400 °C для удаления органического связующего из сухого остатка нанесенных чернил, в результате чего на поверхности мембраны формировался однородный слой каталитически активного материала толщиной около 3 мкм. Сенсор, реализованный на основе двух МЭМС платформ (одна – с каталитическим слоем, вторая – исходная (без слоя)), включенных в мостовую схему, демонстрирует высокую чувствительность к метану (50 мВ на 1% метана) при полной потребляемой мощности порядка 350 мВт, что сопоставимо с характеристиками коммерческих аналогов, производимых Figaro USA Inc., SGX Sensortech, Zhengzhou Winsen Electronics Technology Co.
Библиографические ссылки
Harley-Trochimczyk, A., Pham, T., Chang, J., Chen, E., Worsley, M. A., Zettl, A., & Maboudian, R. Platinum Nanoparticle Loading of Boron Nitride Aerogel and Its Use as a Novel Material for Low-Power Catalytic Gas Sensing. Advanced Functional Materials. 2016; 26(3): 433-439. doi:10.1002/adfm.201503605
Spirjakin, D., Baranov, A. M., Somov, A., & Sleptsov, V. Investigation of heating profiles and optimization of power consumption of gas sensors for wireless sensor networks. Sensors and Actuators A: Physical. 2016; 247: 247-253. doi:10.1016/j.sna.2016.05.049
Shlenkevitch, D., Stolyarova, S., Blank, T., Brouk, I., & Nemirovsky, Y. Novel Miniature and Selective Combustion-Type CMOS Gas Sensor for Gas-Mixture Analysis—Part 1: Emphasis on Chemical Aspects. Micromachines. 2020; 11(4): 345. doi:10.3390/mi11040345
Sidikova, K. G., Abdurakhmanov, I. E., Mumunova, N. I., Kholboev, O. N., & Abdurakhmanov, E. (2020, May). Development and research of metrological characteristics of selective thermocatalytic methane (natural gas) sensor. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2020, May. IOP Publishing. 2020: Vol. 862, No. 6: 062102doi:10.1088/1757-899X/862/6/062102
Samotaev, N. N., Podlepetsky, B. I., Vasiliev, A. A., Pisliakov, A. V., & Sokolov, A. V. Metal-oxide gas sensor high-selective to ammonia. Automation and remote control. 2013; 74(2): 308-312. doi:10.1134/S0005117913020148
Barsan, N.; Koziej, D.; Weimar, U. Metal oxide-based gas sensor research: How to? Sens. Actuators B Chem. 2007; 121: 18–35. doi:10.1016/j.snb.2006.09.047
Degler, D.; Müller, S.A.; Doronkin, D.E.; Wang, D.; Grunwaldt, J.-D.; Weimar, U.; Barsan, N. Platinum loaded tin dioxide: A model system for unravelling the interplay between heterogeneous catalysis and gas sensing. J. Mater. Chem. A. 2018; 6: 2034–2046. doi:10.1039/c7ta08781k
Bíró, F.; Dücső, C.; Radnóczi, G.Z.; Baji, Z.; Takács, M.; Bársony, I. ALD nano-catalyst for micro-calorimetric detection of hydrocarbons. Sens. Actuators B Chem. 2017; 247: 617–625. doi:10.1016/j.snb.2017.03.075
Somov, A.; Karelin, A.; Baranov, A.; Mironov, S. Estimation of a Gas Mixture Explosion Risk by Measuring the Oxidation Heat within a Catalytic Sensor. IEEE Trans. Ind. Electron. 2017; 64: 9691–9698. doi:10.1109/TIE.2017.2716882
Dey, A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review. Materials Science and Engineering: B. 2018; 229: 206-217. doi:10.1016/j.mseb.2017.12.036
https://www.figarosensor.com/product/docs/tgs6812-d00_product_information%28fusa%29_rev05.pdf
Karpova, E., Mironov, S., Suchkov, A., Karelin, A., Karpov, E. E., & Karpov, E. F. Increase of catalytic sensors stability. Sensors and Actuators B: Chemical. 2014; 197: 358-363. doi:10.1016/j.snb.2014.03.016
Samotaev, N., Dzhumaev, P., Oblov, K., Pisliakov, A., Obraztsov, I., Ducso, C., & Biro, F. Silicon MEMS Thermocatalytic Gas Sensor in Miniature Surface Mounted Device Form. Chemosensors. 2021; 9(12): 340. doi:10.3390/chemosensors9120340
Samotaev, N.; Pisliakov, A.; Filipchuk, D.; Etrekova, M.; Biro, F.; Ducso, C.; Bársony, I. SOI Based Micro-Bead Catalytic Gas Sensor. In International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies; Springer: Cham, Switzerland, 2013; 255: 105–111. doi: 10.1007/978-3-030-58868-7_12
Kulinyi, S.; Brandszajsz, D.; Amine, H.; Adam, M.; Furjes, P.; Barsony, I.; Ducso, C. Olfactory detection of methane, propane, butane and hexane usingconventional transmitter norms. Sens. Actuators B Chem. 2005; 111: 286–292. doi:10.1016/j.snb.2005.06.068
Kalinin, I.; Roslyakov, I.; Tsymbarenko, D.; Bograchev, D.; Krivetskiy, V.; Napolskii, K. Microhotplates based on Pt and Pt-Rh films: The impact of composition, structure, and thermal treatment on functional properties. Sens. Actuators A Phys. 2021; 317: 112457. doi:10.1016/j.sna.2020.112457
Ivanov, I.I.; Baranov, A.M.; Talipov, V.A.; Mironov, S.M.; Akbari, S.; Kolesnik, I.V.; Orlova, E.D.; Napolskii, K.S. Investigation of catalytic hydrogen sensors with platinum group catalysts. Sens. Actuators B Chem. 2021; 346: 130515. doi:10.1016/j.snb.2021.130515
Del Orbe, D. V., Yang, H., Cho, I., Park, J., Choi, J., Han, S. W., & Park, I. Low-power thermocatalytic hydrogen sensor based on electrodeposited cauliflower-like nanostructured Pt black. Sensors and Actuators B: Chemical. 2021; 329: 129129. doi: 10.1016/j.snb.2020.129129
Vasiliev, A. A., Pisliakov, A. V., Sokolov, A. V., Samotaev, N. N., Soloviev, S. A., Oblov, K., Guarnieri, V., Lorenzelli, L., Brunelli, J., Maglione, A., Lipilin, A.S., Mozalev, A., Legin, A. V. Non-silicon MEMS platforms for gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2016; 224: 700-713. doi: 10.1016/j.snb.2015.10.066
Samotaev, N., Pisliakov, A., Gorshkova, A., Dzhumaev, P., Barsony, I., Ducso, C., & Biro, F. Al2O3 nanostructured gas sensitive material for silicon based low power thermocatalytic sensor. Materials Today: Proceedings. 2020; 30: 443-447. doi:10.1016/j.matpr.2019.12.393
Cavicchi, R. E., Poirier, G. E., Tea, N. H., Afridi, M., Berning, D., Hefner, A., ... & Montgomery, C. Micro-differential scanning calorimeter for combustible gas sensing. Sensors and Actuators B: Chemical. 2004; 97(1): 22-30. doi:10.1016/S0925-4005(03)00515-X
Bársony, I., Ádám, M., Fürjes, P., Lucklum, R., Hirschfelder, M., Kulinyi, S., & Dücső, C. Efficient catalytic combustion in integrated micropellistors. Measurement Science and Technology. 2009; 20(12): 124009. doi:10.1088/0957-0233/20/12/124009
Lee, E. B., Hwang, I. S., Cha, J. H., Lee, H. J., Lee, W. B., Pak, J. J., ... & Ju, B. K. Micromachined catalytic combustible hydrogen gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2011; 153(2): 392-397. doi:10.1016/j.snb.2010.11.004
Kirchner, P., Li, B., Spelthahn, H., Henkel, H., Schneider, A., Friedrich, P., ... & Schöning, M. J. Thin-film calorimetric H2O2 gas sensor for the validation of germicidal effectivity in aseptic filling processes. Sensors and Actuators B: Chemical. 2011; 154(2): 257-263. doi:10.1016/j.snb.2010.01.058
Han, C. H., Hong, D. W., Kim, I. J., Gwak, J., Han, S. D., & Singh, K. C. Synthesis of Pd or Pt/titanate nanotube and its application to catalytic type hydrogen gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2007; 128(1): 320-325. doi:10.1016/j.snb.2007.06.025
Wu, L., Zhang, T., Wang, H., Tang, C., & Zhang, L. A novel fabricating process of catalytic gas sensor based on droplet generating technology. Micromachines. 2019; 10(1): 71. doi:10.3390/mi10010071
Fedorov, F. S., Simonenko, N. P., Trouillet, V., Volkov, I. A., Plugin, I. A., Rupasov, D. P., ... & Sysoev, V. V. Microplotter-printed on-chip combinatorial library of ink-derived multiple metal oxides as an “electronic olfaction” unit. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020; 12(50): 56135-56150. doi:10.1021/acsami.0c14055
Volkov, I. A., Simonenko, N. P., Efimov, A. A., Simonenko, T. L., Vlasov, I. S., Borisov, V. I., ... & Ivanov, V. V. Platinum based nanoparticles produced by a pulsed spark discharge as a promising material for gas sensors. Applied Sciences. 2021; 11(2): 526. doi:10.3390/app11020526
Cai, Z., & Park, S. Synthesis of Pd nanoparticle-decorated SnO2 nanowires and determination of the optimum quantity of Pd nanoparticles for highly sensitive and selective hydrogen gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2020; 322: 128651. doi.org/10.1016/j.snb.2020.128651
Cao, P., Yang, Z., Navale, S. T., Han, S., Liu, X., Liu, W., ... & Zhu, D. Ethanol sensing behavior of Pd-nanoparticles decorated ZnO-nanorod based chemiresistive gas sensors. Sensors and Actuators B: Chemical. 2019; 298: 126850. doi.org/10.1016/j.snb.2019.126850
Fiévet, F., Ammar-Merah, S., Brayner, R., Chau, F., Giraud, M., Mammeri, F., ... & Viau, G. The polyol process: a unique method for easy access to metal nanoparticles with tailored sizes, shapes and compositions. Chemical Society Reviews. 2018; 47(14): 5187-5233 doi:10.1039/c7cs00777a
Favier, I., Pla, D., & Gómez, M. Palladium nanoparticles in polyols: Synthesis, catalytic couplings, and hydrogenations. Chemical reviews. 2019; 120(2): 1146-1183. doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00204
Nguyen, V. L., Nguyen, D. C., Hirata, H., Ohtaki, M., Hayakawa, T., & Nogami, M. Chemical synthesis and characterization of palladium nanoparticles. Advances in natural sciences: nanoscience and nanotechnology. 2010; 1(3): 035012. doi:10.1088/2043-6262/1/3/035012
Kim, S. W., Park, J., Jang, Y., Chung, Y., Hwang, S., Hyeon, T., & Kim, Y. W. (2003). Synthesis of monodisperse palladium nanoparticles. Nano Letters. 2003; 3(9): 1289-1291. doi.org/10.1021/nl0343405
Mazumder, V., & Sun, S. Oleylamine-mediated synthesis of Pd nanoparticles for catalytic formic acid oxidation. Journal of the American Chemical Society. 2009; 131(13): 4588-4589. doi.org/10.1021/ja9004915
Schmidt-Ott, A. (Ed.) Spark Ablation: Building Blocks for Nanotechnology. CRC Press: Boca Raton, Florida, USA, 2019. 472.
Schwyn, S., Garwin, E., & Schmidt-Ott, A. Aerosol generation by spark discharge. Journal of Aerosol Science. 1988; 19(5): 639-642. doi:10.1016/0021-8502(88)90215-7
Meuller, B. O., Messing, M. E., Engberg, D. L., Jansson, A. M., Johansson, L. I., Norlén, S. M., ... & Deppert, K. Review of spark discharge generators for production of nanoparticle aerosols. Aerosol Science and Technology. 2012; 46(11): 1256-1270. doi:10.1080/02786826.2012.705448
Pfeiffer, T. V., Feng, J., & Schmidt-Ott, A. New developments in spark production of nanoparticles. Advanced Powder Technology. 2014; 25(1): 56-70. doi:10.1016/j.apt.2013.12.005
Vons, V. A.; Leegwater, H.; Legerstee, W. J.; Eijt, S. W. H.; Schmidt-Ott, A. Hydrogen Storage Properties of Spark Generated Palladium Nanoparticles Int. J. Hydrogen Energy. 2010; 35: 5479–5489. doi:10.1016/j.ijhydene.2010.02.118
Isaac, N. A.; Ngene, P.; Westerwaal, R. J.; Gaury, J.; Dam, B.; Schmidt-Ott, A.; Biskos, G. Optical hydrogen sensing with nanoparticulate Pd–Au films produced by spark ablation. Sensors and Actuators B: Chemical. 2015; 221: 290–296. doi:10.1016/j.snb.2015.05.095
Vasiliev, A. A., Varfolomeev, A. E., Volkov, I. A., Simonenko, N. P., Arsenov, P. V., Vlasov, I. S., ... & Maeder, T. Reducing humidity response of gas sensors for medical applications: use of spark discharge synthesis of metal oxide nanoparticles. Sensors. 2018; 18(8): 2600. doi:10.3390/s18082600
Khabarov, K., Nouraldeen, M., Tikhonov, S., Lizunova, A., Efimov, A., & Ivanov, V. Modification of Aerosol Gold Nanoparticles by Nanosecond Pulsed-Periodic Laser Radiation. Nanomaterials. 2021; 11(10): 2701. doi:10.3390/nano11102701
Němec, T., Šonský, J., Gruber, J., de Prado, E., Kupčík, J., & Klementová, M. Platinum and platinum oxide nanoparticles generated by unipolar spark discharge. Journal of Aerosol Science. 2020; 141: 105502. doi:10.1016/j.jaerosci.2019.105502
Tabrizi, N. S., Ullmann, M., Vons, V. A., Lafont, U., & Schmidt-Ott, A. Generation of nanoparticles by spark discharge. Journal of Nanoparticle Research. 2009; 11(2): 315. doi:10.1007/s11051-008-9407-y
Shchukin, E. D., Pertsov, A. V., Amelina, E. A., & Zelenev, A. S. Colloid and surface chemistry. Elsevier: Amsterdam, Netherlands; 2001. 779.
Hutchings, I. M., & Martin, G. D. (Eds.). Inkjet technology for digital fabrication. John Wiley & Sons: Hoboken, New Jersey, USA; 2012. 392.
Smith, P. J., & Shin, D. H. Inkjet-based micromanufacturing. John Wiley & Sons: Hoboken, New Jersey, USA; 2012. 388.
Suganuma, K. Introduction to printed electronics, (Vol. 74). Springer Science & Business Media: Berlin, Germany; 2014. 130.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2022 I. S. Vlasov, D. V. Kornyushin, E. I. Kameneva, I. A. Volkov
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Журнал MIST - «Modern Innovations, Systems and Technologies» / «Современные инновации, системы и технологии» публикует материалы на условиях лицензии CreativeCommons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0), размещенной на официальном сайте некоммерческой корпорации Creative Commons: 
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Это означает, что пользователи могут копировать и распространять материалы на любом носителе и в любом формате, адаптировать и преобразовывать тексты, использовать контент для любых целей, в том числе коммерческих. При этом должны соблюдаться условия использования — указание автора оригинального произведения и источника: следует указывать выходные данные статей, предоставлять ссылку на источник, а также указывать, какие изменения были внесены.
