Сеульский национальный университет: сенсор этанола на оксиде пяти металлов — отклик 5135% при 50 ppm
Лабораторный сенсор этанола из высокоэнтропийного оксида In, Sn, Fe, Zn и W откликается в 7,9–12,6 раза сильнее оксидов средней и низкой энтропии и не содержит драгметаллов.
В Сеульском национальном университете разработали сенсор газообразного этанола (C₂H₅OH) на основе высокоэнтропийного оксида пяти металлов: индия, олова, железа, цинка и вольфрама. Состав сенсора и механизмы его работы на уровне электронной структуры описаны в журнале Advanced Science wiley.com
Advanced Sciencewiley.comОткрыть источник ↗. Материал (InSnFeZnW)Oₓ — по сути, твёрдый раствор пяти оксидов, и ни один из металлов не является драгоценным. Это лабораторный сенсор; авторы сравнили его с оксидными сенсорами низкой и средней энтропии.
Отклик и кинетика
При 50 ppm этанола и 300 °C отклик высокоэнтропийного сенсора, то есть изменение сопротивления, составил 5135%. Низкоэнтропийный оксид показал 408%, среднеэнтропийный — 654%, так что отклик высокоэнтропийного оксида оказался примерно в 12,6 и 7,9 раза выше соответственно. При такой концентрации время отклика составило 3 секунды, а время восстановления после удаления этанола — 73 секунды. По расчётам, теоретический предел обнаружения может начинаться с 4,8 ppb.
Сенсор сохранял исходные параметры в течение шести месяцев и многократно срабатывал при относительной влажности 90%, сообщили авторы.
Механизм и ограничения
У оксида одного металла ограниченное число поверхностных центров, доступных для газовых реакций, поэтому трудно одновременно повысить чувствительность и избирательность. Чтобы убедиться, что все пять металлов заняли места в кристаллической решётке, и объяснить механизм, исследователи применили рентгеновскую дифракцию, рамановскую спектроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию и другие методы. Высокоэнтропийный оксид содержит больше хемосорбированного кислорода и больше кислородных вакансий, чем низкоэнтропийный, а сдвиги в структуре d-зоны, вызванные энтропией, усиливают поверхностный путь реакции wiley.com
Advanced Sciencewiley.comОткрыть источник ↗.
Оптимальная рабочая температура сенсора — 300 °C, поэтому дальнейшие эксперименты будут направлены на её снижение. Кроме того, исследователи хотят улучшить селективность и устойчивость к изменениям влажности. Руководитель работы профессор Чан Хо Вон заявил, что группа планирует изучать другие сочетания элементов, чтобы создавать материалы, избирательно реагирующие не только на этанол, и развивать работу в сторону сенсоров, способных обнаруживать разные газы.
