포름알데히드(HCHO)는 실내 공기 오염의 주요 원인입니다. 따라서 HCHO 센서는 일상 생활에서 적시에 감지하는 데 가장 중요합니다. 그러나 기존 센서는 엄격한 성능 목표를 충족하지 못하며, 실온에서 감지 감지로 인한 비활성화, 예를 들어 극도로 낮은 포름알데히드 농도(특히 0.08 ppm 미만)에서는 널리 해결되지 않은 문제입니다. 여기에서, 우리는 은 나노입자(Ag NPs) 감작 분산 In2을 제시합니다. O3 Ag NP가 In2 안팎으로 수송되는 HCHO에 대한 겉보기 활성화 에너지를 감소시키는 저비용 열수 전략을 통한 나노입자 O3 낮은 작동 온도에서 낮은 농도의 검출이 실현됩니다. 깨끗한 2 O3 느린 응답을 나타냅니다(Ra /Rg =4.14 ~ 10 ppm) HCHO 가스로 불완전한 회수. Ag 기능화 후 5%Ag-In2 O3 센서는 30 °C에서 1 ppm HCHO 가스에 대한 짧은 응답 시간(102 s)과 회복 시간(157 s)으로 극적으로 향상된 응답(135)을 보여주며, 이는 결정 In<하위>2 O3 나노그레인, 선택성 및 감도를 크게 향상시킵니다.
HCHO, 에탄올, 아세톤, 벤젠, 메탄올 및 톨루엔과 같은 실내 및 실외의 모든 종류의 위험한 휘발성 유기 화합물(VOC) 가스는 농업 및 산업 공정에서 일상적으로 일상적으로 배출되거나 차량 배기 가스로 배출됩니다[1 ]. HCHO와 같은 VOC는 농도가 임계 임계값 이상, 때로는 ppm(parts-per-million) 수준으로 낮을 때 인간의 건강과 환경에 유해합니다[2, 3]. 안전상의 이유로 HCHO 저장 시스템, 가전 제품 및 차량은 물론 전체 내부 환경 인프라에서 한계를 벗어난 모든 것은 즉시 감지해야 합니다[4,5,6]. 실내외 공기질과 작업장 안전에 대한 관심이 증가하면서 지난 몇 년 동안 가스 센서 시장이 꾸준히 발전했으며, 따라서 가스 센서는 더 넓은 적용 범위를 가질 것으로 예상됩니다[7,8,9]. 따라서 포름알데히드 센서는 공기 중 포름알데히드의 광범위한 발암성 범위 때문에 중요한 역할을 할 것입니다[10, 11].
주로 In2를 포함하는 화학 저항기를 기반으로 하는 금속 산화물 반도체 O3 [12,13,14], WO3 [15,16,17], SnO2 [18, 19], ZnO [20, 21] 및 LaFeO3 [22,23,24]는 저렴한 비용, 우수한 감도, 빠른 응답/복구 시간 및 많은 수의 가스가 검출된다는 점에서 고유한 장점으로 인해 VOC를 감지하는 뛰어난 기술입니다[25]. 그러나 금속 산화물 반도체를 기반으로 하는 기존 가스 센서는 일반적으로 150–400 °C의 높은 작동 온도로 인해 센서 안정성과 수명이 감소할 수 있습니다. 또한 높은 작동 온도는 높은 전력 소비로 이어지며 이는 차세대 배터리 탑재 무선 센서[26, 27]에 중요한 매개변수입니다. 그러나 센싱 재료가 정교하게 설계되면 이는 역전될 수 있다. 작업 온도를 낮추기 위해 사용되는 일반적인 방법은 Ag[28, 29], Pt[30], Pd[31, 32]와 같은 귀금속 또는 다른 금속 산화물[26]로 반도체 금속 산화물의 표면 개질입니다. 화학적 증감 또는 전자 증감에 의해 다양한 금속 촉진제로 반도체 표면을 수정하여 효과적인 실온 센서 재료를 얻을 수 있습니다. 뛰어난 감지 성능은 귀금속의 sensitizer 효과뿐만 아니라 넓은 표면적, 적절한 입자 크기 및 나노 구조의 풍부한 메조포러스 표면의 시너지 효과에 기인합니다[15, 20, 23, 33].
2에서 O3 약 3.6 eV의 넓은 밴드갭을 갖는 중요한 n형 반도체이며 높은 촉매 활성과 전자적 특성으로 인해 널리 연구되어 왔다[34, 35]. 불행히도 순수한 In2 O3 열악한 선택도와 높은 응답성을 갖는 감지 재료는 저온에서 거의 얻어지지 않아 더 많은 응용이 제한됩니다. 감지 특성을 더욱 향상시키기 위해 In2 O3 귀금속[36], 금속 이온[37], 탄소 재료[38]에 의해 변형되었습니다. 다상 반도체 금속 산화물 나노구조의 합성물도 자주 보고되었다[39]. 현재까지 In2의 가스 감지 특성에 대한 연구는 거의 수행되지 않았습니다. O3 HCHO에 센서. Wang et al. [29] 보고된 Ag-loaded In2 O3 계층적 나노구조 센서는 240 °C에서 20 ppm HCHO에 대해 빠른 응답(0.9 s), 회복(14 s) 및 높은 응답(11.3)을 보였습니다. Donget al. [40]은 합성된 3 wt% Ag-작용화된 In2 O3 /ZnO 샘플은 300 °C의 작동 온도에서 2000 ppm HCHO에 대해 약 842.9의 높은 응답을 나타냈습니다. 현재 포름알데히드 가스 센서는 더 높은 작동 온도가 필요한 것으로 보고되었습니다. Zhang et al. [28]은 포름알데히드 가스 감지 테스트의 결과를 보고했으며, 6%-Ag/Ni5.0 기반 센서가 In은 더 낮은 작동 온도(160 °C)에서 100 ppm의 포름알데히드에 대해 초고감도(123.97)를 나타냅니다. Wang et al. [33]은 그래핀 옥사이드가 제자리에서 2차원 SnO2를 수정했다고 보고했습니다. 면내 메조포어가 있는 나노시트가 감지 재료로 활용되었으며 센서 응답은 60°C에서 100 ppm HCHO에 대해 2000보다 컸습니다. 실온에서 저농도 HCHO에 대해 고감도 및 고선택성을 갖는 포름알데히드 가스 센서가 해결하지 못한 문제가 남아 있습니다.
이 작업에서는 In2로 준비된 실온에서 작동하는 고반응 포름알데히드 가스 센서를 보고합니다. O3 Ag 나노입자에 의해 감작된 나노그레인. 순수 In과 Ag 함유 In2 간의 HCHO 가스 검출 비교 연구 O3 나노 입자를 조사하고 감지 성능에 대한 Ag 로딩의 영향이 밝혀졌습니다. 결과는 5% Ag-In2 O3 센서는 30 °C에서 1670~5 ppm HCHO의 우수한 응답과 0.05 ppm의 초저 검출 농도(응답 값이 3.85임)를 나타냅니다. 동시에, 5% Ag-In2 O3 센서는 또한 우수한 선택성과 안정성을 제공하여 모두 금속 산화물 센서 수준에 도달합니다.
순수한 In2 O3 6 mmol In(NO3 )3 .4.5H2 O(99.99%, Aladdin) 및 24 mmol 요소(99%, Aladdin)의 탈이온수 45 mL; 혼합물을 50-mL 폴리에틸렌 반응 포트에 140℃에서 16시간 동안 유지한 다음 실온으로 냉각시켰다. 제조된 침전물을 에틸알코올로 3회 세척하고, 70 °C에서 20 시간 동안 건조하고, 5 °C min -1의 열속도로 순수한 질소 흐름에서 600°C에서 2시간 동안 소성하였다. 저녁> . 순수한 In2 O3 20분 동안 교반하면서 탈이온수에 용해시킨 다음 AgNO3 (99.8%, Sigma-Aldrich)를 투명한 용액에 첨가하였다. 자기 교반하에 새로 준비된 NaBH4 (98%, Aladdin) 용액을 상기 혼합 용액에 적가하였다. 교반 후, Ag-loaded In2의 침전물 O3 원심분리를 통해 수집하고 무수 에탄올로 3회 세척하고 60°C에서 12시간 동안 공기 중에서 건조시켰다. 마지막으로, 황색 나노구조 In2 O3 샘플을 얻었다. 가스 감지 반응에 대한 Ag 로딩 비율의 영향을 연구하기 위해 다양한 Ag 로딩 비율(1 wt%, 3 wt%, 5 wt% 및 7 wt%)을 가진 다양한 대조 합성물을 준비하고 1%Ag-In으로 명명했습니다. 2 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 , 각각.
제조된 제품의 X선 분말 회절(XRD)은 D/max-2300 회절계(Rigaku Corporation; 35 kV)에서 10-90°의 스캔 범위에서 2°min -의 속도로 수행되었습니다. 1 Cu Kα1 복사(l =1.540 Å). X선 광전자 분광법(XPS)은 Al Kα 여기가 있는 K-Alpha+ 분광계(Thermo Fisher Scientific Co. Ltd; 1486.6 eV)에서 수행하여 각 원소의 화학적 결합 상태를 관찰했습니다. 시료의 형태는 주사전자현미경(SEM, Thermo Fisher Scientific Co. Ltd.)으로 기록하였다. 원소 조성은 EDS(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 검출기가 장착된 SEM으로 측정하였다. 입자의 크기와 결정도에 대한 전이전자현미경(TEM) 및 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)은 200 kV에서 작동하는 JEM-2100 현미경(JEOL Co. Ltd.)으로 수행하였다. N2 얻어진 샘플의 흡탈착 분석은 액체 질소 온도에서 Beth 장비(Bestech Instrument Technology Co. Ltd.)에서 수집되었습니다.
준비된 가스 감지 재료(순수 In2 O3 , 1%, 3%, 5% 및 7% Ag-loaded In2 O3 ), 2 mg 가스 감지 재료 샘플을 모르타르에 2 mg 인쇄유와 혼합하고 균일한 매쉬를 형성하기 위해 마노 모르타르에서 1분 동안 분쇄했습니다. 매쉬 센싱 재료는 기판의 외부 표면에 메쉬로 스크린 인쇄되었으며 건조 오븐에서 60 °C에서 10분 동안 건조되었습니다. 기판 표면에 형성되는 가스 감지 물질의 두께는 약 10 mm입니다. 그림 1은 가스 센서의 개략도를 보여줍니다. 마지막으로, 장치는 안정성을 보장하기 위해 전기로에서 2 시간 동안 400°C에서 소결되었습니다. 이후 상대습도 16±10%에서 HCRK-SD101 가스감지분석기(우한 HCRK 테크놀로지(주))로 감지특성을 평가하였다. 준비된 센서를 테스트 챔버(2.7 L)에 설치한 후 마이크로 시린지를 통해 다양한 농도의 테스트 가스를 주입했습니다. 가스 센서의 응답은 저항값 Ra와 저항값 Rg의 비율로 정의할 수 있으며, 여기서 Ra와 Rg는 각각 공기 및 대상 가스의 저항을 나타냅니다[41]. 응답 및 회복 시간은 흡탈착 시 최대 감지값의 90%에 도달하는 데 필요한 시간을 말합니다.
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Ag 기능화된 In2 준비의 개략도 O3 나노 입자 및 스크린 인쇄
순수 및 Ag 로딩 분산 In2의 결정상 O3 XRD를 사용하여 조사되었습니다. 순수 및 Ag 로딩 분산 In2의 XRD 패턴 O3 In2의 회절 피크는 Fig. 2a에서 알 수 있다. O3 샘플은 JCPDS 카드 번호에 따라 유사합니다. 06-0416, In2의 3차 구조에 할당 가능 O3 . In2의 회절 피크 O3 샘플은 각각 222, 400, 440 및 622 평면에 속하는 30.58, 35.46, 51.03 및 60.67의 2y에 있습니다. Ag-loaded 2의 경우 O3 샘플, 그림 2b에서 1% Ag-In2에 해당하는 XRD 곡선 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 순수한 In2와 유사합니다. O3 , In2의 결정상을 나타냅니다. O3 표면 기능화 과정에서 거의 영향을 받지 않습니다. Ag의 로딩량이 증가함에 따라 Ag(JCPDS 카드 NO.04-0873)와 일치하는 200 및 111의 회절 피크는 작은 팽창에 의해 점차적으로 감지될 수 있고 계속해서 더 큰 각도로 이동할 수 있습니다. XRD 패턴에서 불순물 상이 검사되지 않아 샘플의 탁월한 순도를 더욱 확인했습니다.
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아 순수 In2의 XRD 패턴 O3 , 1% Ag-In2 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 시료. ㄴ 샘플의 111 및 200 피크의 해당 고배율
표면 영역에서 합성된 샘플의 구성 요소와 화학적 상태를 추가로 입증하기 위해 XPS가 제시되었습니다. 전체 XPS 스펙트럼(그림 3a)은 5%Ag-In2 O3 샘플은 주로 In, O, Ag 및 C 원소를 포함합니다. 스펙트럼에 원소 C가 존재하는 것은 C 1 의 결합 에너지 때문이며, 이는 일반적으로 XPS 측정 중에 스펙트럼의 내부 기준으로 사용됩니다. 모든 XPS 스펙트럼은 그림 3과 같이 284.8 eV의 C1s 피크로 보정되었습니다. 고해상도 In 3d XPS 스펙트럼은 452.08 eV(3d3/2 ) 및 444.48 eV(3d5/2에서 ) 그림 3b. 보고된 3d5/2와 비교 (443.60 eV) 금속 인듐의 신호, 우리 샘플에는 금속 인듐 피크가 없으며, 이는 원소 인듐이 산화물 형태로만 존재하고 주요 상태가 In 3+ 임을 보여줍니다. . Ag 피크의 고해상도 XPS 스펙트럼이 스케치되어 있으며, 여기서 금속성 은에 해당하는 피크는 374.0 eV(Ag 3d3/2 ) 및 368.0 eV(Ag 3d5/2 ) 그림 3c에서 표면 영역에 로드된 Ag 종은 금속성 은임을 나타냅니다.
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아 순수 In2의 XPS 스펙트럼 O3 및 5% Ag-In2 O3 시료. ㄴ 3D 스펙트럼에서. ㄷ Ag 3d 스펙트럼
순수한 In2의 형태 O3 및 5% Ag-In2 O3 샘플은 SEM 분석에 의해 그림 4a-e에서 미리 시연되었습니다. 모든 샘플은 직경이 20~50 nm 범위이고 길이가 수백 나노미터에서 1 μm 이상인 나노그레인 형태를 보여주었습니다. 순수한 In2의 경우 O3 샘플에서 그림 4a-c에서 각 나노 입자의 표면이 매끄럽다는 것을 알 수 있습니다. 기능화 프로세스 후에 In2의 표면이 O3 나노 입자는 그림 4d-e에서 약간 거칠고 Ag NP는 In2 표면에 분포되어 있습니다. O3 나노 입자. 제시된 SEM 이미지는 Ag의 로딩이 In2의 형태에 큰 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. O3 .
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순수 In2의 SEM 이미지 O3 (아 , b , 및 c ) 및 5% Ag-In2 O3 (d 및 e ) 샘플
분산된 In2에 Ag 나노입자를 장식한 후 O3 나노 입자, 5% Ag-In2의 형태 및 결정상 O3 샘플은 그림 5의 TEM 이미지를 통해 제공됩니다. 30 nm에서 약 100 nm 크기의 Ag NP가 분산된 In2 표면에 잘 고정되어 있음을 알 수 있습니다. O3 가스 감지 특성을 향상시키는 데 도움이 될 나노 입자. In2의 상세한 미세 구조를 더 자세히 관찰하기 위해 O3 및 Ag NP, 5% Ag-In2의 고해상도 TEM 이미지 O3 샘플을 얻었다(그림 5b, c). 분산된 In2 O3 도 5b 및 c에서 단결정으로 조립된다. 그림 5c의 고해상도 TEM 이미지는 격자면이 0.293 nm이며 입방 In2의 (222) 결정면에 해당함을 보여줍니다. O3 , 0.236 nm의 결정 간격은 Ag의 (111) 간격과 잘 일치합니다. 또한 인터페이스는 In2 간의 강력한 전자 상호 작용의 존재를 나타냅니다. O3 나노구조 및 Ag 나노입자.
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아 5%Ag-In2의 TEM 이미지 O3 시료. ㄴ , ㄷ 5% Ag-In2의 HRTEM 이미지 O3 시료. d 5% Ag-In2의 EDS 스펙트럼 패턴 O3 시료. 이 –h 5%Ag-In2의 O, In 및 Ag 요소의 EDS 매핑 그림 O3 샘플
에너지 분산 X선 분광법 패턴(그림 5d)은 불순물 요소 없이 In, O 및 몇 가지 Ag의 존재를 웅변적으로 증명합니다. In, O 및 Ag의 원자 백분율은 각각 33.99%, 62.43% 및 3.59%입니다. In과 O의 원자비는 약 1:2로 5%Ag-In2 O3 샘플은 선택한 지역의 주요 위상 구성 요소입니다. Ag의 분포를 추가로 결정하기 위해 5%Ag-In2 O3 샘플은 EDS에 의해 수행되었습니다. 도 5e-h에서 관찰된 바와 같이, Ag-loaded In2 O3 샘플은 각각 O, In 및 Ag의 원소 매핑에 의해 고르게 분포되었습니다. 결과는 분산된 In2 표면에 Ag NPs의 명백한 부하가 있음을 보여줍니다. O3 나노입자 및 분산된 In2 O3 나노구조는 Ag의 장식으로 축적되지 않습니다.
순수 In2의 다공성과 비표면적을 얻기 위해 O3 및 5% Ag-In2 O3 샘플, N2 흡탈착 실험 방법을 사용하였다. 현재 IUPAC 분류를 기반으로 그림 6a 및 b는 상대 압력에 대한 고전적인 유형 III 등온선을 보여줍니다(0.1
0 <1.0) 유형 H3 히스테리시스 루프를 사용하여 과립 물질로 구성되고 명백한 포화 흡착 플랫폼이 없어 기공 구조가 매우 불규칙함을 나타냅니다. 5%Ag-In2의 기공 부피 및 표면적 O3 0.0650 cm 3 입니다. g −1 및 14.4 m 2 g −1 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법으로 특성화되며 둘 다 순수 In2보다 큽니다. O3 (6.5m 2 g −1 및 0.0204 cm 3 g −1 ), 특정 함량의 Ag NP가 로드됨에 따라 비표면적이 점차적으로 증가함을 입증합니다. 기공 크기 분포는 Barrett-Joyner-Halenda(BJH) 방법을 사용하여 측정되었습니다. 순수한 In2의 기공 크기가 O3 2~54 nm 범위에서 분포합니다. 5% Ag-In2의 경우 O3 샘플에서 기공 크기는 모두 2와 65 nm 사이에 분포되어 있습니다.
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순수 In2의 질소 흡탈착 등온선 곡선 O3 (아 ) 및 5% Ag-In2 O3 (b ) 시료. 삽입은 BJH 방법으로 얻은 해당 기공 크기 분포 곡선입니다.
1 ppm HCHO에 노출 시 가스 반응은 센서 장치의 작동 온도를 높여 작동 온도와 가스 응답 간의 관계를 관찰하고 최적화된 작동 온도를 결정하여 조사했습니다. 순수한 In2 O3 , 1% Ag-In2 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 각각 30–300 °C의 작동 온도에서 5 ppm 기체 포름알데히드 조건에서 연속적으로 테스트되었습니다. 각 가스 센서의 감지 응답은 고정된 온도에서 측정되었으며, 가스 센서의 기록 값은 그림 7과 같이 상온에서 표시됩니다.
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순수 In2의 응답 O3 , 1% Ag-In2 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 30 ~ 300 °C
작동 온도 범위에서 5 ppm 가스 포름알데히드 가스 센서5%Ag-In2 O3 센서는 30 °C에서 포름알데히드 가스에 대해 최대 응답을 가지며 응답은 1670입니다. 낮은 작동 온도에서 증가하는 경향이 있습니다(5%Ag-In2 O3 :1670, 844, 366, 191, 113, 87, 56, 46.3, 39, 44.2 at 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 2070, °C 7% Ag-In2 O3 :400, 143, 49, 33.1, 29.3, 37.8, 20.3, 23.3, 8.66, 12.8 (동일 작동 온도에서). Ag-In2의 가스 반응 O3 센서는 순수한 In2보다 높은 값을 표시합니다. O3 모든 작동 온도 범위에서 최적의 작동 온도와 센서의 최적 HCHO 응답을 고정할 수 있습니다. 그 중 5%Ag-In2 O3 센서는 실온에서 5 ppm HCHO에 대해 가장 높은 응답(1670)을 가지며 이는 다른 센서보다 높은 센서의 우수한 감지 특성을 나타냅니다. 실내 작동 온도에서 더 높은 가스 응답이 나타나는 이유는 Ag NPs 촉매(스필 오버 효과) 및 전자(쇼트키 장벽 생성) 민감화 때문일 수 있습니다. Ag NP를 로딩한 후 작동 온도가 감소하고 포름알데히드 민감 반응이 크게 향상됩니다. 그럼에도 불구하고 Ag NP의 로딩이 더욱 향상됨에 따라 응답 값이 감소합니다. 이는 In2의 표면 활성 사이트 수가 감소했기 때문일 수 있습니다. O3 이는 Ag 나노입자의 과도한 커버리지와 가스 투과도에 영향을 미치고 Ag 나노입자의 촉매 작용이 약해져서 흡착된 산소 이온이 감소함을 의미한다[28]. In2를 기반으로 이전에 보고된 다른 가스 센서와 비교 O3 해바라기, In2 O3 /ZnO 나노복합체, 또는 In2 O3 nanorods, 우리의 가스 센서는 실온에서 주목할만한 가스 반응을 보여줍니다[28, 29, 40].
HCHO에 대한 합성 가스 센서의 선택성을 추가로 확인하기 위해 순수 In2의 선택성 감지 성능 O3 , 1% Ag-In2 O3 , 3% Ag-In2 O3 , 5% Ag-In2 O3 및 7% Ag-In2 O3 센서는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메탄, 포름알데히드, 아세톤, 에탄올, 암모니아, 5% Ag-In2을 포함한 여러 휘발성 유기 화합물의 10 ppm에 대해 실온에서 테스트되었습니다. O3 및 7% Ag-In2 O3 실온에서 1 ppm의 농도로 이 가스를 향합니다. 그림 8과 같이 Ag-In2 O3 센서는 포름알데히드에 대해 우수한 선택성을 나타내는 반면, 동일한 온도에서 다른 일반적인 간섭 가스, 특히 5%Ag-In2에 대해서는 반응이 좋지 않습니다. O3 감지기. 이것은 준비된 센서가 포름알데히드에 대해 매우 우수한 선택성을 가지고 있음을 나타냅니다.
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순수 In2의 가스 응답 O3 , 1% Ag-In2 O3 및 3% Ag-In2 O3 (벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메탄, 포름알데히드, 아세톤, 에탄올 및 암모니아) 30 °C, 5%Ag-In2에서 농도 10 ppm O3 및 7% Ag-In2 O3 30 °C에서 1 ppm의 농도로 이 가스를 향하여
또한 5%Ag-In2의 안정성 O3 센서는 그림 9에 나와 있습니다. 5%Ag-In2 O3 센서는 실온에서 6 주기 동안 1 ppm HCHO에 대해 조사되었으며(그림 9a), 이는 실온에서 HCHO에 대한 우수한 재현성을 보여줍니다. 그림 9c에서 볼 수 있듯이 36일 반응 테스트 결과 5%Ag-In2 O3 센서는 높은 가스 감지 성능뿐만 아니라 우수한 장기 안정성을 가지고 있습니다. 한편, 5%Ag-In2의 가스 감지 특성 O3 다른 습도 조건에서 센서를 조사했습니다(그림 9b). 분명히 센서는 10-30%의 상대 습도 범위에서 감지 성능에 큰 영향을 미치지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 상대 습도 범위가 30%에서 80%로 증가하면 가스 감지 특성이 점차 감소하기 시작합니다.
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아 응답 - 5% Ag-In2의 회복 O3 30 °C에서 6 주기 동안 1 ppm HCHO 가스 쪽으로. ㄴ 5% Ag-In2의 응답 O3 30 °C의 다양한 습도 조건에서 1 ppm의 HCHO에 대한 센서. ㄷ 5%Ag-In2의 장기 안정성 테스트 O3 30 °C에서 36 일 동안 연속 평가 후 1 ppm HCHO에 대한 센서
5%Ag-In2의 실시간 동적 가스 응답 O3 실온에서 다양한 농도의 HCHO에 대한 센서가 그림 10에 나와 있습니다. 1, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2, 0.1, 0.08 및 0.05 ppm 포름알데히드에 대한 반응은 Ra로 계산되었습니다. /Rg =각각 135, 108, 75, 65, 34, 23, 11 및 3.85입니다. 감도 진폭은 가스 농도에 따라 단조 증가하고 가스 농도가 0.05 ppm에 도달할 때까지 포화 상태에서 멀어지므로 포름알데히드의 정량적 측정에 유리합니다. 특히, 센서가 0.05 ppm의 낮은 포름알데히드 농도에 노출될 때 응답은 여전히 3.85로 높으며 이는 센서의 매우 낮은 검출 농도를 나타냅니다.
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아 , b 5% Ag-In2의 실시간 응답-회복 특성 곡선 O3 30 °C
에서 다양한 농도(1, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2, 0.1, 0.08, 0.05 ppm)에서 포름알데히드 쪽으로인2 O3 반도체는 내화학성을 감지하는 물질이며 전기적 특성은 주로 In2 표면의 HCHO 반응에 따라 변합니다. O3 . HCHO 감지 개략도는 그림 11에 나와 있습니다. 센서가 공기에 노출되면 공기 중 풍부한 산소 분자가 In2 표면에 흡수됩니다. O3 , 그리고 이 산소는 물질의 전도성 밴드에서 전자를 포착하고 더 활성 화학적 흡착 산소로 변환하여 초기 저항을 크게 증가시키는 공간 전하 영역(공핍층)을 생성합니다. 전자 공핍층은 공기 중에서 센서의 초기 저항에 큰 영향을 미칩니다. 화학 흡착된 산소 종의 주요 형태는 O2입니다. - 그리고 O - , 식으로 설명할 수 있습니다. (1)-(3):
$$ {O}_{2(가스)}\to {O}_{2(광고)} $$ (1) $$ {O}_{2(광고)}+{e}^{-}\ {{O_2}^{-}}_{(광고)} $$ (2) $$ {{O_2}^{-}}_{(광고)}+{e}^{-}\2{ O^{-}}_{(광고)} $$ (3) <그림>
아 –d 5% Ag-In2에 대한 개략도의 HCHO 감지 메커니즘 O3 및 순수 In2 O3 , 각각
센서가 HCHO로 팽창된 환경에 배치되면 화학적 흡착 산소가 HCHO와 반응하여 전자를 다시 전도성 밴드로 방출하여 공간 전하 영역 두께를 줄여 센서 저항을 감소시킵니다. 발생한 반응은 다음 식과 같이 설명할 수 있다. (4) 및 (5):
$$ HCHO+{{O_2}^{-}}_{ads}\to C{O}_2+{H}_2O+{e}^{-} $$ (4) $$ HCHO+2{O^{-} }_{(광고)}\to C{O}_2+{H}_2O+2{e}^{-} $$ (5)당연히 센서 성능은 5% Ag-In2을 기반으로 합니다. O3 순수한 In2보다 훨씬 높습니다. O3 . 이 우수한 반응은 Ag NP의 전자적 감작 및 화학적 효과에 기인합니다. Ag NPs는 분자 산소 해리의 촉매 활성화에 대한 높은 가용성을 가지며 생성된 활성 산소 종은 금속 산화물 표면으로 유출되어 산소의 흡착-탈착 반응과 상호 작용합니다[42]. 화학 흡착된 산소는 테스트된 가스와의 반응을 조절하여 센서의 가스 감지에서 중요한 역할을 합니다[43]. 순수 입력2 O3 및 5% Ag-In2 O3 센서를 기반으로 XPS로 조사하여 샘플에서 화학 흡착된 산소의 비율을 확인했습니다. O1 순수한 In2의 스펙트럼 O3 및 5% Ag-In2 O3 (그림 12a, b 및 표 1)은 흡착된 산소 함량(O - 의 2.46% 그리고 O2의 19.54% - ) 5% 중2 O3 순수 In2보다 높습니다. O3 (O − 의 1.83% 그리고 O2의 16.05% - ), 이는 주로 금속 산화물 반도체에 대한 Ag Nps 유출 효과 때문입니다[44]. Ag NPs의 높은 전도도 및 촉매 특성으로 인해 [28, 42, 45, 46], 금속 산화물 표면의 Ag NPs는 화학 흡착된 산소 종의 화학적 활성을 향상시키고 산소 종을 기판 위로 유출하여 가속 저온에서 가스 감지용.
<그림>
5% Ag-In2의 XPS 스펙트럼 O3 (아 ) 및 순수 In2 O3 (b ) O1 부근. 5%Ag-In2의 동적 저항 전이 특성 O3 (ㄷ ) 및 순수 In2 O3 (d ) 30 °C에서 40 ppm의 포름알데히드로
또한 In2 사이의 계면에서 Schottky 접합을 형성할 수 있습니다. O3 밴드갭과 일함수의 차이로 인한 Ag [47, 48]. 5% Ag-In2일 때 O3 재료는 순수한 In2에 비해 대기에 노출됩니다. O3 , 5%Ag-In2의 고갈 영역 O3 Ag와 In2 사이의 쇼트키 접합으로 인해 복합 재료가 더욱 확장됩니다. O3 상호 작용. O - 와 같은 하전된 종 그리고 O 2− In2 표면에 흡착 O3 also contribute to electron depletion by capturing free electrons from the sensing materials [15] (Fig. 12a, b). The base resistance of 5%Ag-In2 O3 was investigated to 206000 kΩ, far higher than the resistance (7.8 kΩ) of pure In2 O3 (Fig. 12c, d), further demonstrating that the Ag NPs can remarkably enhance baseline resistance. When the 5%Ag-In2 O3 material is exposed to HCHO in the sensing process, the Schottky junction forming at the interface between Ag and In2 O3 produces more overflow electrons and donates it to the In2 O3 matrix, resulting in efficient modulation of the depletion layer. Besides, with more oxygen substances adsorbed on the surface of Ag/In2 O3 , the redox reactions occurred between HCHO and chemical adsorbed oxygen are enhanced. The redundant electrons generated by these increased surface reactions result in a greater reduction in resistance of the 5%Ag-In2 O3 -based sensors in HCHO (Fig. 12c, d). Hence, 5%Ag-In2 O3 sensor possesses superior sensing performance to HCHO.
In summary, we realized an ultra-high performance HCHO chemiresistor with Ag nanoparticles sensitized dispersed In2 O3 semiconductor. The 5%Ag-In2 O3 sensor demonstrates ultra-high response (135), short response time (102 s) and recovery time (157 s) to 1 ppm HCHO gas, and an ultra-low detection concentration (0.05 ppm) at room temperature. Compared with other HCHO sensors, the sensor has good reproducibility and strong responsivity at room temperature, and will have an excellent practical application prospect.
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Ag nanoparticles
Energy dispersive X-ray spectroscopy
Formaldehyde
고해상도 투과전자현미경
Parts-per-million
Resistance in air
Resistance in target gas
주사전자현미경
Transition electron microscopy
Volatile organic compounds
X선 광전자 분광법
X선 분말 회절
나노물질
초록 파킨슨병(PD)은 중뇌에서 도파민성 뉴런의 점진적인 소실을 특징으로 하며, 줄기 세포 이식 방법은 치료를 위한 유망한 전략을 제공합니다. 이러한 연구에서 생체 내 이식된 세포의 생물학적 행동을 추적하는 것은 줄기 세포 기능에 대한 기본 이해와 임상 효과 평가에 필수적입니다. 본 연구에서 우리는 열분해 방법과 2단계 개질을 통해 폴리아크릴산(PAA)과 메톡시폴리에틸렌글리콜아민(PEG)으로 코팅된 새로운 초소형 초상자성 산화철 나노입자를 개발했습니다. USPIO-PAA/PEG NP는 TEM 및 FTIR에서 볼 수 있듯이 10.0
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