Preparation and Chemosensory Properties of Ti2CTx–10 mol. % SnO2 Composite Material

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A hybrid method for the preparation of Ti2CTx–10 mol. % SnO2 composite material was developed, combining a deposition method in the presence of dispersed MXene accordion-like aggregates and subsequent hydrothermal treatment. As a result, the MXene multilayer was decorated by ~2–4 nm tin dioxide nanoparticles, and the interlayer spacing of the Ti2CTx MXene multilayer increased from 11.6 to 13.5 Å. For the obtained Ti2CTx–SnO2 composite material coated by microplotting, a high sensitivity of the receptor layer to 100 ppm ethanol, ammonia and nitrogen dioxide was observed already at room temperature and under conditions of 23% relative humidity. The determined high response of the nanocomposite to humidity changes allows us to consider it as a promising receptor material for a humidity sensor.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. P. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. S. Mokrushin

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

I. A. Nagornov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

S. A. Dmitrieva

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; Mendeleev Russian Chemical and Technological University

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 125047

Т. L. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. P. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. T. Kuznetsov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Hooshmand S., Kassanos P., Keshavarz M. et al. // Sensors. 2023. V. 23. № 20. P. 8648. https://doi.org/10.3390/s23208648
  2. Berwal P., Sihag S., Rani S. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. № 37. P. 14835. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c02288
  3. Khorramifar A., Karami H., Lvova L. et al. // Sensors. 2023. V. 23. № 12. P. 5716. https://doi.org/10.3390/s23125716
  4. Prasad P., Raut P., Goel S. et al. // Environ. Monit. Assess. 2022. V. 194. № 12. P. 855. https://doi.org/10.1007/s10661-022-10479-w
  5. Nazemi H., Joseph A., Park J. et al. // Sensors. 2019. V. 19. № 6. P. 1285. https://doi.org/10.3390/s19061285
  6. Fine G.F., Cavanagh L.M., Afonja A. et al. // Sensors. 2010. V. 10. № 6. P. 5469. https://doi.org/10.3390/s100605469
  7. De Vito S., Piga M., Martinotto L. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2009. V. 143. № 1. P. 182. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.08.041
  8. Raju P., Li Q. // J. Electrochem. Soc. 2022. V. 169. № 5. P. 057518. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac6e0a
  9. Chai H., Zheng Z., Liu K. et al. // IEEE Sens. J. 2022. V. 22. № 6. P. 5470. https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3148264
  10. Yadav M., Kumar M., Chaudhary S. et al. // Ind. Eng. Chem. Res. 2023. V. 62. № 29. P. 11259. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00242
  11. Yang B., Myung N.V., Tran T. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 9. P. 2100271. https://doi.org/10.1002/aelm.202100271
  12. Castañeda L., Gonzalez-Alatriste M., Avendaño-Alejo M. // Sens. Lett. 2016. V. 14. № 4. P. 331. https://doi.org/10.1166/sl.2016.3631
  13. Dadkhah M., Tulliani J.-M. // Sensors. 2022. V. 22. № 13. P. 4669. https://doi.org/10.3390/s22134669
  14. Marikutsa A., Rumyantseva M., Konstantinova E.A. et al. // Sensors. 2021. V. 21. № 7. P. 2554. https://doi.org/10.3390/s21072554
  15. Yuliarto B., Gumilar G., Septiani N.L.W. // Adv. Mater. Sci. Eng. 2015. V. 2015. P. 1. https://doi.org/10.1155/2015/694823
  16. Pazniak H., Plugin I.A., Sheverdyaeva P.M. et al. // Sensors. 2024. V. 1. № 1. P. 38. https://doi.org/https://doi.org/10.3390/s24010038
  17. Szczurek A., Gonstał D., Maciejewska M. // Sensors. 2024. V. 24. № 5. P. 1461. https://doi.org/10.3390/s24051461
  18. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  19. Fedorov F.S., Simonenko N.P., Trouillet V. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 50. P. 56135. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14055
  20. Ivanov S., Todorov T., Nenov T. et al. // Int. Conf. Autom. Informatics, IEEE, 2023. P. 290. https://doi.org/10.1109/ICAI58806.2023.10339030
  21. Qian J., Tian F., Luo Y. et al. // IEEE Trans. Ind. Electron. 2022. V. 69. № 5. P. 5314. https://doi.org/10.1109/TIE.2021.3080218
  22. Qian J., Luo Y., Tian F. et al. // IEEE Trans. Ind. Electron. 2021. V. 68. № 7. P. 6276. https://doi.org/10.1109/TIE.2020.3000114
  23. Devabharathi N., M. Umarji A., Dasgupta S. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 51. P. 57207. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14704
  24. Bhati V.S., Kumar M., Banerjee R. // J. Mater. Chem. С. 2021. V. 9. № 28. P. 8776. https://doi.org/10.1039/D1TC01857D
  25. Ravi Kumar Y., Deshmukh K., Kovářík T. et al. // Coord. Chem. Rev. 2022. V. 461. P. 214502. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214502
  26. Sett A., Rana T., Rajaji U. et al. // Sens. Actuators, A: Phys. 2022. V. 338. P. 113507. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113507
  27. Tan W.C., Ang K. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 7. https://doi.org/10.1002/aelm.202001071
  28. Nahirniak S., Saruhan B. // Sensors. 2022. V. 22. № 3. P. 972. https://doi.org/10.3390/s22030972
  29. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Mokrushin A.S. et al. // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 850. P. 1. https://doi.org/10.3390/nano13050850
  30. Xin M., Li J., Ma Z. et al. // Front. Chem. 2020. V. 8. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00297
  31. Kim S.J., Koh H.J., Ren C.E. et al. // ACS Nano. 2018. V. 12. № 2. P. 986. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b07460
  32. Wang J., Yang Y., Xia Y. // Sens. Actuators, B: Chem. 2022. V. 353. P. 131087. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.131087
  33. Majhi S.M., Ali A., Greish Y.E. et al. // ACS Appl. Electron. Mater. 2022. V. 4. № 8. P. 4094. https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00717
  34. Shuvo S.N., Ulloa Gomez A.M., Mishra A. et al. // ACS Sensors. 2020. V. 5. № 9. P. 2915. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01287
  35. Lee E., Kim D.-J. // J. Electrochem. Soc. 2020. V. 167. № 3. P. 037515. https://doi.org/10.1149/2.0152003JES
  36. Wu M., He M., Hu Q. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 10. P. 2763. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01308
  37. Sun Q., Wang J., Wang X. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. № 32. P. 16987. https://doi.org/10.1039/C9NR08350B
  38. Zhou L., Hu Y., Li S. et al. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. № 16. https://doi.org/10.1063/5.0175767
  39. Kang S., Mirzaei A., Shin K.Y. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2023. V. 375. P. 132882. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132882
  40. Liu S., Wang M., Ge C. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2022. V. 365. P. 131919. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131919
  41. Zhang B., Li C., Li M. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 24. P. 4464. https://doi.org/10.3390/nano12244464
  42. Liu X., Zhang H., Shen T. et al. // Ceram. Int. 2024. V. 50. № 1. P. 2459. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.11.032
  43. Yang E., Park K.H., Oh T. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2024. V. 409. P. 135542. https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135542
  44. Yu H., Dai L., Liu Y. et al. // J. Alloys Compd. 2023. V. 962. P. 171170. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171170
  45. Zhu X., Li J., Chang X. et al. // Appl. Surf. Sci. 2024. V. 660. P. 159976. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.159976
  46. Zhang D., Jiang J., Yang Y. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2024. V. 410. P. 135727. https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135727
  47. Chu L., Yan H., Xie W. et al. // Chin. Chem. Lett. 2023. V. 34. № 8. P. 108512. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2023.108512
  48. Wang C., Li R., Feng L. et al. // Chemosensors. 2022. V. 10. № 3. P. 109. https://doi.org/10.3390/chemosensors10030109
  49. Wang Z., Wang F., Hermawan A. et al. // J. Mater. Sci. Technol. 2021. V. 73. P. 128. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.07.040
  50. Zhang Y., Wang M.-Y., San X.-G. et al. // Rare Met. 2024. V. 43. № 1. P. 267. https://doi.org/10.1007/s12598-023-02456-0
  51. Liang D., Song P., Liu M. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 7. P. 9059. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.089
  52. Xu X., Jiang H., Liu W. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2024. V. 7. № 4. P. 4324. https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05859
  53. Wu P., Li Y., Xiao S. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. № 42. P. 48200. https://doi.org/10.1021/acsami.2c11216
  54. Zhu M., Deng X., Feng Z. et al. // J. Alloys Compd. 2021. V. 886. P. 161139. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161139
  55. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 5. P. 705. https://doi.org/10.1134/S0036023622050187
  56. Simonenko E.P., Nagornov I.A., Mokrushin A.S. et al. // Materials (Basel). 2023. V. 16. № 13. P. 4506. https://doi.org/10.3390/ma16134506
  57. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Gorobtsov P.Y. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 13. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010013
  58. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 11. P. 1850. https://doi.org/10.1134/S0036023622601222
  59. Simonenko E.P., Nagornov I.A., Mokrushin A.S. et al. // Micromachines. 2023. V. 14. № 4. P. 725. https://doi.org/10.3390/mi14040725
  60. Badie S., Dash A., Sohn Y.J. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2021. V. 104. № 4. P. 1669. https://doi.org/10.1111/jace.17582
  61. Zhang Z., Zhou Y., Wu S. et al. // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 22. P. 36942. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.09.025
  62. Liu A., Yang Q., Ren X. et al. // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 5. P. 6934. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.008
  63. Roy C., Banerjee P., Bhattacharyya S. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 3. P. 923. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.020
  64. Luo W., Liu Y., Wang C. et al. // J. Mater. Chem. С. 2021. V. 9. № 24. P. 7697. https://doi.org/10.1039/D1TC01338F
  65. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Gorobtsov P.Y. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 13. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010013
  66. Mokrushin A.S., Simonenko Т.L., Simonenko N.P. et al. // J. Alloys Compd. 2021. V. 868. P. 159090. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159090
  67. Mokrushin A.S., Simonenko Т.L., Simonenko N.P. et al. // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 578. P. 151984. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151984
  68. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Simonenko Т.L. et al. // Mater. Sci. Eng. B. 2021. V. 271. P. 115233. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115233
  69. Wyckoff R.W.G. // Cryst. Struct. 1963. V. 1. P. 85.
  70. Lane N.J., Vogel S.C., Caspi E.N. et al. // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 18. P. 183519. https://doi.org/10.1063/1.4803700
  71. Baur W.H., Khan A.A. // Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. 1971. V. 27. № 11. P. 2133. https://doi.org/10.1107/S0567740871005466
  72. Wyckoff R.W.G. // Cryst. Struct. 1963. P. 239.
  73. Yang Z., Liu A., Wang C. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 5. P. 1261. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00127
  74. Koh H.-J., Kim S.J., Maleski K. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 5. P. 1365. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00310
  75. Liu S., Wang M., Liu G. et al. // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 567. P. 150747. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150747
  76. Zhang C., Zhang Y., Cao K. et al. // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 5. P. 6463. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.229
  77. Han Y., Cao H., Cao Y. et al. // J. Mater. Chem. С. 2024. V. 12. № 13. P. 4809. https://doi.org/10.1039/D4TC00111G

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. X-ray radiographs of the powders of the original MAX phase Ti2AlC, the synthesised Ti2CTx multilayer maxene and the receptor layer of the Ti2CTx-10 mol% SnO2 nanocomposite.

Download (247KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Microstructure of the Ti2CTx-10 mol% SnO2 composite powder according to SEM data. Green arrows indicate the embedding of SnO2 nanoparticles between the layers of accordion-like maxene Ti2CTx.

Download (750KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Microstructure of the Ti2CTx-10 mol% SnO2 receptor layer according to SEM data.

Download (795KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Selectivity diagram of the Ti2CTx-10 mol% SnO2 composite coating composed of the responses to different gases (100 ppm CO, NH3, NO2, C6H6, C3H6O, C2H5OH, 1000 ppm H2, CH4, 10% O2 and 23% ΔRH). The ‘+’ sign corresponds to an increase in electrical resistance and the ‘-’ sign corresponds to a decrease. All measurements were performed at room temperature and relative humidity 23 ± 1%.

Download (82KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Responses of Ti2CTx-10 mol% SnO2 composite coating to ΔRH = 2-54% (a); response dependence on ΔRH in gas atmosphere (b). All measurements were performed at room temperature and relative humidity of 23 ± 1%.

Download (164KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Signal reproducibility of Ti2CTx-10 mol% SnO2 composite coating on the change of relative humidity ΔRH = 6%. All measurements were performed at room temperature and relative humidity of 23 ± 1%.

Download (149KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».