Наноразмерные никельсодержащие порошки для использования в газовых датчиках CO и NO₂

Исследованы физико-химические характеристики, а также механизмы газовой чувствительности оксида никеля (NiO) и феррита никеля (NiFe₂O₄), полученных методом левитационно-струйного синтеза. Свойства синтезированных материалов изучены с помощью различных спектроскопических методов. По данным РФЭС присутствие ионов Ni³⁺ в образцах значительно снижается с ростом удельной поверхности порошков и уменьшением среднего диаметра их частиц. В связи с этим можно сделать вывод о том, что количество нескомпенсированных вакансий Ni²⁺ в таких образцах также снижается, а концентрация O^2–-вакансий, напротив, существенно увеличивается. В спектрах комбинационного рассеяния наноразмерного NiO отсутствовала магнонная полоса, которая обычно наблюдается при ν = 1500 см^–1 , тогда как в спектре наноферритового образца присутствовала ярко выраженная 2М-полоса, что говорит о повышении спиновой корреляции. Анализ УФ-спектров полученных образцов показал, что для крупных наночастиц наблюдается рост значений отражающей способности с увеличением длины волны по сравнению с соответствующими значениями для частиц малого размера. В связи с этим нами было сделано предположение о том, что оксидные наночастицы на основе Ni являются полупроводниковыми, с косвенным переходом к энергии запрещенной зоны, и это резко контрастирует с данными, полученными ранее другими исследователями. Газочувствительность наноразмерных порошков была изучена применительно к монооксиду углерода и диоксиду азота при рабочих температурах 350–500 °С. Оценка полученных результатов позволила сделать вывод о том, что эксплуатационные характеристики предлагаемых нами датчиков по ряду параметров превосходят аналогичные характеристики датчиков, изготовленных из коммерческих порошков, а также порошков, полученных с помощью других синтетических методов.

левитационно-струйный синтез, наночастицы, оксид никеля, феррит никеля, газочувствительные свойства, датчики газов, монооксид углерода, диоксид азота

1. Румянцева М.Н., Коваленко В.В., Гаськов А.М., Панье Т. Нанокомпозиты на основе оксидов металлов как материалы для газовых сенсоров. Рос. хим. журн. 2007. Т. LI. No. 6. С. 61—70. DOI: 10.1134/S1070363208050411.

2. Dey A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review. Mater. Sci. Eng. B. 2018. Vol. 229. P. 206—217. DOI: 10.1016/j.mseb.2017.12.036.

3. Williams D.E. Semiconducting oxides as gas-sensitive resistors. Sens. Actuators, B: Chem. 1999. Vol. 57. No. 1—3. P. 1—16. DOI: 10.1016/S0925-4005(99)00133-1.

4. Binions R., Afonja A., Dungey S., Lewis D.E., Parkin I.P., Williams D.E. Discrimination effects in zeolite modified metal oxide semiconductor gas sensors. IEEE Sens. J. 2011. Vol. 11. No. 5. P. 1145—1151. DOI: 10.1109/JSEN.2010.2084079.

5. Lee P.Y., Ishizaka K., Suematsu H., Jiang W., Yatsui K. Magnetic and gas sensing property of nanosized NiFe 2 O4 powders synthesized by pulsed wire discharge. J. Nanopart. Res. 2006. Vol. 8. No. 1. P. 29—35. DOI: 10.1007/s11051-005-5427-z.

6. Ju D., Xu H., Xu Q., Gong H., Qiu Z., Guo J. High triethylamine-sensing properties of NiO/SnO 2 hollow sphere P—N heterojunction sensors. Sens. Actuators, B: Chem. 2015. Vol. 215. P. 39—44. DOI: 10.1016/j.snb.2015.03.015.

7. Arshak K., Gaidan I. NiO/Fe2 O 3 polymer thick films as room temperature gas sensors. Thin Solid Films. 2006. Vol. 495. No. 1—2. P. 286—291. DOI: 10.1016/j.tsf.2005.08.298.

8. Darshane S.L., Suryavanshi S.S., Mulla I.S. Nanostructured nickel ferrite: A liquid petroleum gas sensor. Ceram. Int. 2009. Vol. 35. No. 5. P. 1793—1797. DOI: 10.1016/j.ceramint.2008.10.013.

9. Ortega D., Kuznetsov M.V., Morozov Yu.G., Belousova O.V., Parkin I.P. Thermal relaxation and collective dynamics of interacting aerosol-generated hexagonal NiFe2 O 4 nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. Vol. 15. No. 48. P. 20830—20838. DOI: 10.1039/c3cp53981d.

10. Chen N.-S., Yang X.-J., Liu E.-S., Huang J.-L. Reducing gas-sensing properties of ferrite compounds MFe2 O 4 (M = = Cu, Zn, Cd and Mg). Sens. Actuators, B: Chem. 2000. Vol. 66. No. 1—3. P. 178—180. DOI: 10.1016/S0925-4005(00)00368-3.

11. Chen D.-H., He X.-R. Synthesis of nickel ferrite nanoparticles by sol-gel method. Mater. Res. Bull. 2001. Vol. 36. No. 7—8. P. 1369—1377. DOI: 10.1016/S00255408(01)00620-1.

12. Liu J., He H., Jin X., Hao Z., Xu Z. Synthesis of nanosized nickel ferrites by shock waves and their magnetic properties. Mater. Res. Bull. 2001. Vol. 36. No. 3—14. P. 23572363. DOI: 10.1016/S0025-5408(01)00722-X.

13. Suematsu H., Ishizaka K., Kinemuchi Y., Suzuki T., Jiang W., Yatsui K. Novel critical temperature resistor of sintered Ni—Fe—O nanosized powders. J. Mater. Res. 2004. Vol. 19. No. 4. P. 1011—1014. DOI: 10.1557/JMR.2004.0131.

14. Ortega D., Kuznetsov M.V., Morozov Yu.G., Belousova O.V., Parkin I.P. Thermal relaxation and collective dynamics of interacting aerosol-generated hexagonal NiFe2 O 4 nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. Vol. 15. No. 48. P. 20830—20838. DOI: 10.1039/c3cp53981d.

15. Ген М.Я., Миллер А.В. Левитационный метод получения ультрадисперсных порошков металлов. Поверхность. 1983. No. 2. С. 150—154.

16. Кондратьева Т.А., Морозов Ю.Г., Чернов Е.А. Влияние условий получения на свойства ультрадисперсного порошка никеля. Порошк. металлургия. 1987. Т. 26. No. 10. С. 19—22. DOI: 10.1007/BF00794359.

17. Krasnov A.P., Morozov Y.G., Chernov E.A. Characteristic features of the vaporization mechanism in the crucible-free production of aerosol particles. Powder Technol. 1994. Vol. 81. No. 1. P. 93—98. DOI: 10.1016/0032-5910(94)02871-0.

18. Morozov Y.G., Belousova O.V., Kuznetsov M.V., Ortega D., Parkin I.P. Electric field-assisted levitation-jet aerosol synthesis of Ni/NiO nanoparticles. J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. No. 22. P. 11214—11223. DOI: 10.1039/c2jm31233f.

19. Binions R., Davies H., Afonja A., Dungey S., Lewis D., Williams D.E., Parkin I.P. Zeolite-modified discriminating gas sensors. J. Electrochem. Soc. 2009. Vol. 156. No. 3. P. J46—J51. DOI: 10.1149/1.3065436.

20. Peveler W.J., Binions R., Hailes S.M.V., Parkin I.P. Detection of explosive markers using zeolite modified gas sensors. J. Mater. Chem. A. 2013. Vol. 1. No. 17. P. 2613—2620. DOI: 10.1039/c2ta01027e.

21. Tarttelin Hernández P., Naik A.J.T., Newton E.J., Hailes S.M.V., Parkin I.P. Assessing the potential of metal oxide semiconducting gas sensors for illicit drug detection markers. J. Mater. Chem. A. 2014. Vol. 2. No. 23. P. 8952—8960. DOI: 10.1039/c4ta00357h.

22. Costa A.C.F.M., Lula R.T., Kiminami R.H.G.A., Gama L.F.V., de Jesus A.A., Andrade H.M.C. Preparation of nanostructured NiFe 2 O 4 catalysts by combustion reaction. J. Mater. Sci. 2006. Vol. 41. No. 15. P. 4871—4875. DOI: 10.1007/s10853-006-0048-1.

23. Madhu G., Biju V. Nanostructured amorphous nickel oxide with enhanced anti- oxidant activity. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 637. P. 62—69. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.02.157.

24. Biju V. Ni 2p X-ray photoelectron spectroscopy study of nanostructured nickel oxide. Mater. Res. Bull. 2007. Vol. 42. No. 5. P. 791—796. DOI: 10.1016/j.materresbull.2006.10.009.

25. Mironova-Ulmane N., Kuzmin A., Sildos I., Pärs M. Polarisation dependent Raman study of single-crystal nickel oxide. Cent. Eur. J. Phys. 2011. Vol. 9. No. 4. P.1096—1099. DOI: 10.2478/s11534-010-0130-9.

26. Tadic M., Panjan M., Markovic D., Stanojevic B., Jovanovic D., Milosevic I., Spasojevic V. NiO core—shell nanostructure with ferromagnetic-like behavior at room temperature. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 586. Suppl. 1. P. S322—S325. DOI: 10.1016/j.jallcom.2012.10.166.

27. Simmons E.L. Diffuse reflectance spectroscopy: a comparison of the theories. Appl. Opt. 1975. Vol. 14. No. 6. P. 1380—1386. DOI: 10.1364/AO.14.001380.

28. Rehman S., Mumtaz A., Hasanain S.K. Size effects on the magnetic and optical properties of CuO nanoparticles. J. Nanopart. Res. 2011. Vol. 13. No. 6. P. 2497—2507. DOI: 10.1007/s11051-010-0143-8.

29. Lin H., Huang C.P., Li W., Ismat Shah S., Tseng Y.-H. Size dependency of nano-crystalline TiO 2 on its optical property and photocatalytic reactivity exemplified by 2-chlorophenol. Appl. Catal., B: Environ. 2006. Vol. 68. No. 1—2. P. 1—11. DOI: 10.1016/j.apcatb.2006.07.018.

30. Jaaniso R., Kian Tan O. (Eds.). Semiconductor gas sensors.1-st ed. Oxford: Woodhead Publishing, 2013.

31. Gurlo A., Riedel R. In situ and operando spectroscopy for assessing mechanisms of gas sensing. Angew. Chem. 2007. Vol. 46. P. 3826—3848. DOI: 10.1002/anie.200602597.

32. Chu X., Dongli J., Chenmou Z. The preparation and gas-sensing properties of NiFe2 O 4 nanocubes and nanorods. Sens. Actuators, B: Chem. 2007. Vol. 123. No. 2. P. 793—797. DOI: 10.1016/j.snb.2006.10.020.

33. Sutka A., Gross A. Spinel ferrite oxide semiconductor gas sensors. Sens. Actuators, B: Chem. 2016. Vol. 222. P. 95—105. DOI: 10.1016/j.snb.2015.08.027.

34. Yang L., Xie Y., Zhao H., Wu X., Wang Y. Preparation and gas-sensing properties of NiFe2 O 4 semiconductor materials. Solid State Electron. 2005. Vol. 49. No. 6. P. 10291033. DOI: 10.1016/j.sse.2005.03.022.

35. Choi J., Byun J., Sub S. Chemical Influence of grain size on gas-sensing properties of chemiresistive p-type NiO nanofibers. Sens. Actuators, B: Chem. 2016. Vol. 227. P. 149—156. DOI: 10.1016/j.snb.2015.12.014.

36. Kruefu V., Wisitsoraat A., Phokharatkul D., Tuantranont A., Phanichphant S. Chemical enhancement of p-type gassensing performances of NiO nanoparticles prepared by precipitation with RuO 2 impregnation. Sens. Actuators, B: Chem. 2016. Vol. 236. No. 2. P. 466—473. DOI: 10.1016/j.snb.2016.06.028.