Структура и газочувствительные свойства низкоразмерных оксидных систем Fe2O3–SnO2 И Fe2O3–In2O3 (стр. 3 )

Таблица 4

Газочувствительные характеристики тонкопленочных сенсоров

на основе нанокомпозитов Fe2O3–In2O3

Композит	t, °C	Детектируемый газ	Концентрация, ppm
g-Fe2O3–In2O3 (9:1), Fe(II)	135	O3	0,060
a-Fe2O3–In2O3 (9:1), Fe(II)	70–100	NO2	0,5
g-Fe2O3–In2O3 (1:1), Fe(II)	70–100	NO2	0,5
300	C2H5OH	50
a-Fe2O3–In2O3 (1:1), Fe(III)	300	C2H5OH	50

Благодаря изменению структуры нанокомпозитов Fe2O3–In2O3 достигнуто значительное различие в чувствительности тонких пленок Fe2O3–In2O3 к O3 и NO2.

Образец Fe2O3–In2O3 (9:1), полученный смешением гидроксидов In(III)–Fe(II), содержащий g-Fe2O3, имеет высокую чувствительность к O3, а образец a-Fe2O3–In2O3 (9:1), полученный методом СОГ, – к NO2 (Рис. 5).

По чувствительности к O3 и NO2 и величине выходного сигнала тонкопленочные сенсоры Fe2O3–In2O3 превосходят ранее разработанные тонкопленочные сенсоры на основе In2O3–MoO3 [12] и In2O3–NiO [17].

В Табл. 5 сопоставлены значения выходных сигналов на NO2 исследованных тонкопленочных сенсоров на основе различных оксидов. Зависимости выходных сигналов сенсоров на основе оксидов различных металлов на NO2 от

Рис. 5. Температурная зависимость выходного сигнала (S) тонкопленочных сенсоров на основе In2O3 и Fe2O3–In2O3 на: а – O3 (200 ppb), б – NO2 (5 ppm)

Таблица 5

Максимальные выходные сигналы (Smax) тонкопленочных сенсоров

на основе различных оксидов и оксидных систем на NO2 (1 ppm)

Образец	Smax	t, °C
In2O3	30	150
In2O3–NiO (99:1)	40	150
In2O3–MoO3 (9:1)	35	250
In2O3–Fe2O3 (1:1)	50	100
In2O3–Fe2O3 (1:1), Fe(II)	1150	70
SnO2	15	100
SnO2–MoO3 (3:1)	5	100

рабочей температуры приведены на Рис. 6. Рассматриваемые тонкопленочные сенсоры Fe2O3–In2O3 не чувствительны к CH4, NH3 и низким концентрациям CO (50 ppm). В температурной области оптимального детектирования O3 и NO2 они не чувствительны и к парам спиртов (этанола, метанола). Оптимальная температура детектирования паров этанола и метанола тонкопленочными сенсорами Fe2O3–In2O3 – 250–350 °С, NO2 – 70–100 °С, O3 – 70–150 °С.

Индивидуальные оксиды Fe2O3 и In2O3 имеют невысокие выходные сигналы на пары этанола и метанола при их низкой концентрации. Однако при наличии контакта фаз Fe2O3 и In2O3 в виде двух тонкопленочных слоев Fe2O3/In2O3 или двухфазной системы Fe2O3–In2O3 выходной сигнал на пары этанола существенно возрастает (Рис. 7). По величине выходного сигнала тонкопленочных сенсоров на этанол образцы различного состава и структуры располагаются в ряд:

g-Fe2O3–In2O3 (1:1) > g-Fe2O3 > a-Fe2O3–In2O3 (9:1) > g-Fe2O3 > In2O3 > a-Fe2O3

Рис. 6. Температурная зависимость выходного сигнала (S) тонкопленочных сенсоров на основе различных оксидов и оксидных систем на NO2 (1 ppm)

Рис. 7. Температурная зависимость выходного сигнала (S) сенсоров на этанол на основе

пленок индивидуальных оксидов и двойного слоя g-Fe2O3/In2O3

По чувствительности к парам этанола тонкопленочные сенсоры g-Fe2O3 и g-Fe2O3–In2O3 (1:1) значительно превосходят разработанные нами ранее селективные сенсоры этанола на основе SnO2–MoO3 [11], а также рассмотренные выше Fe2O3–SnO2. В Табл. 6 сопоставлены характеристики на этанол исследованных тонкопленочных сенсоров на основе Fe2O3, In2O3, SnO2 и MoO3.

Ранее [18] на основании результатов анализа продуктов десорбции этанола с замещенным в OH-группе атомом H на D с поверхности SnO2 и SnO2–Pd сделано заключение, что процесс детектирования этанола металлоксидными сенсорами включает как стадии обратимых окислительно-восстановительных превращений, так и кислотно-основного взаимодействия.

Таблица 6

Максимальные выходные сигналы (Smax) на пары этанола (500 ppm)

тонкопленочных сенсоров на основе оксидов различных металлов

Сенсор	S	t, °C
In2O3	15	350
g-Fe2O3/In2O3	165	300
SnO2	30	400
SnO2–MoO3	80	300

Предложенная схема процесса детектирования представлена на Рис. 8. Высокая чувствительность образцов Fe2O3/In2O3 к этанолу может быть объяснена их высокой каталитической активностью в реакциях окислительного дегидрирования спиртов [19].

Рис. 8. Схема процесса окисления молекулы спирта на

границе двух фаз на примере метанола

Относительной мерой каталитической активности оксида металла в реакциях окисления-восстановления может быть энергия отщепления атома кислорода от поверхности оксида без изменения его фазового состояния. Чем меньше энергия связи M–O, тем выше активность оксида в реакциях каталитического окисления.

Активность оксидов как катализаторов в кислотно-основных реакциях зависит от электроотрицательности катионов Mn+: c = co(2n + 1), где c – электроотрицательность по Полингу. Электроотрицательность учитывает активность льюисовских центров в оксидах. По возрастанию электроотрицательности и энергии связи M–O изученные газочувствительные оксиды располагаются в ряд:

In2O3 < Fe2O3 < SnO2 < MoO3

Высокий выходной сигнал на этанол сенсоров на основе Fe2O3/In2O3 может быть связан с высокой каталитической активностью компонентов в реакциях как окисления, так и кислотно-основного взаимодействия.

В случае оксидов металлов с высокой энергией связи M–O (MoO3) возможно только парциальное окисление веществ, в частности, парциальное окисление спиртов. В случае MoO3 доокисление промежуточных продуктов превращения спиртов невозможно, поэтому величина выходного сигнала сенсоров SnO2–MoO3 на этанол значительно ниже, чем сенсоров Fe2O3–In2O3 и Fe2O3–SnO2 [20]. Однако в случае MoO3 достигается высокая селективность по отношению к C2H5OH в присутствии других восстановительных газов, в частности, CH4, CO. При детектировании CH4 и CO требуется глубокое окисление молекул.

Образцы a-Fe2O3–In2O3, синтезированные совместным осаждением In(III)–Fe(III) и In(III)–Fe(II), после прогрева при 600–800 °С имеют одинаковый фазовый состав. Однако после прогрева при 300 °С структура, дисперсность и состояние Fe(III) в образцах различаются. Это различие в структуре приводит к неодинаковым газочувствительным свойствам образцов.

Тонкие пленки a-Fe2O3–In2O3, полученные из СОГ In(III)–Fe(II), обладают высокой чувствительностью к NO2. Как и в случае Fe2O3–SnO2, максимальный выходной сигнал на NO2 характерен для нанокомпозита a-Fe2O3–In2O3 (1:1), состоящего из фазы твердого раствора Fe(III)–C-In2O3 с нановключениями аморфного Fe2O3. Присутствием аморфной фазы обеспечивается высокая чувствительность пленок к детектируемым газам.

Тонкие пленки a-Fe2O3–In2O3, полученные из СОГ In(III)–Fe(III), обладают значительно более низкой чувствительностью к NO2 и парам спирта, чем пленки, полученные из СОГ In(III)–Fe(II).

Методами ЯГР, ЭПР и ИК-спектроскопии выявлены различия в структуре образцов Fe2O3–In2O3, синтезированных совместным осаждением In(III)–Fe(III) и In(III)–Fe(II).

Образцы Fe2O3–In2O3 (9:1, 1:1), полученные из In(III)–Fe(III), являются рентгеноаморфными и высокодисперсными. По данным ЯГР-спектроскопии в них отсутствует магнитная упорядоченность (Рис. 9). Для Fe2O3 в таких образцах характерно суперпарамагнитное состояние. Это явление наблюдается в случае высокодефектных частиц Fe2O3 размерами 3–4 нм.

Образцы Fe2O3–In2O3 (9:1, 1:1), полученные из In(III)–Fe(II), после прокаливания при 300 °С, являются кристаллическими и состоят из частиц более крупных размеров, чем аналогичные образцы Fe2O3–In2O3, синтезированные из In(III)–Fe(III) (см. табл. 3). В образце Fe2O3–In2O3, полученном соосаждением In(III)–Fe(II), наблюдается некоторое магнитное упорядочение (см. рис. 9).

Рис. 9. ЯГР-спектры железосодержащих образцов, записанные при 298 К: а – a-Fe2O3 (ст.),

б – g-Fe2O3, в – a-Fe2O3–In2O3 (9:1), Fe(III), г –  g–Fe2O3-In2O3 (9:1), Fe(II),