Изготовление, описание и оценка эффективности материала на основе нанографита, легированного оксидом цинка, в качестве датчика влажности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Современный рост требований к технологиям мониторинга окружающей среды в режиме реального времени обусловливает необходимость создания высокоэффективных датчиков влажности с коротким временем отклика, высокой чувствительностью и длительной стабильностью работы. Оксид цинка (ZnO) является одним из наиболее перспективных полупроводниковых оксидов благодаря своей химической стабильности, доступности и чувствительности к изменению влажности. Однако для повышения рабочих характеристик ZnO требуется целенаправленная модификация его структурных и электронных свойств. В данном исследовании рассматривается легирование наночастиц ZnO нанографитовым материалом (NGM) с целью улучшения чувствительности и кинетики адсорбционно-десорбционных процессов. Предмет и цель работы. Основной целью работы является разработка ёмкостных датчиков влажности на основе нанокомпозита ZnO-NGM с улучшенными параметрами времени отклика и восстановления, а также с повышенной чувствительностью. Для этого предполагается модифицировать электронные и поверхностные свойства ZnO путём его легирования нанографитовым материалом, что должно способствовать улучшению сенсорных характеристик. Методы исследования. Нанокомпозиты ZnO-NGM с различным массовым содержанием NGM (1, 2, 4, 5 и 10 %) были синтезированы методом химического осаждения. Оптические свойства образцов чистого ZnO изучались с помощью оптической спектроскопии (UV-visible spectroscopy), которая выявила резкий край поглощения при 367 нм, соответствующий ширине запрещённой зоны около 3,3 эВ. Структурные и морфологические характеристики композитов анализировались методами рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), подтвердившими успешную интеграцию NGM в матрицу ZnO и увеличение пористости поверхности. Для изготовления сенсорных элементов на стеклянные подложки с покрытием из фтор-легированного оксида олова (FTO) ножевым устройством наносились композитные пленки. Сенсорные характеристики измерялись в камере с контролируемой атмосферой азота при относительной влажности (RH) от 10 до 95 % в диапазоне частот от 10 кГц до 1 МГц. Результаты и обсуждение. Датчик на основе ZnO, легированного 4 % NGM, продемонстрировал оптимальные параметры: время отклика составило 4,0 с, время восстановления – 6,2 с, а чувствительность превзошла показатели остальных исследованных составов. Улучшение функциональных характеристик связано с увеличением удельной поверхностной электропроводности и ускорением кинетики адсорбционно-десорбционных процессов, обусловленных присутствием нанографита, который способствует формированию более пористой и активной поверхности. Разработанные ёмкостные датчики влажности обладают высоким потенциалом для интеграции в современные системы мониторинга окружающей среды в реальном времени, а также в промышленные процессы автоматизации и интеллектуальные системы управления влажностью в бытовых условиях. Введение нанографита в структуру ZnO существенно улучшает сенсорные характеристики датчиков влажности. Нанокомпозит ZnO-NGM с содержанием 4 % нанографита проявляет наилучшие эксплуатационные свойства и является перспективным материалом для создания высокоэффективных датчиков влажности нового поколения.

Об авторах

Фаррух Вахеед

Кафедра информатики, Университет UIT

Email: fwbaig@uitu.edu.pk
ORCID iD: 0009-0004-6527-0965
ResearcherId: ACA-0219-2022

старший преподаватель

Пакистан, улица Абуль Хасан Исфахани, Блок 7, Гульшан-и-Икбал, Карачи, 75300, Пакистан

Амтул Каюм

Кафедра химии, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу

Email: amtulq@neduet.edu.pk
ORCID iD: 0000-0003-0149-2177
Scopus Author ID: 36740039700
ResearcherId: A-9371-2016
https://www.researchgate.net/profile/Amtul-Qayoom?ev=hdr_xprf

канд. техн. наук, доцент

Пакистан, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан

Мухаммад Файзан Ширази

Кафедра электротехники, Инженерно-технологический университет имени Н.Э. Диншоу

Автор, ответственный за переписку.
Email: faizanshirazi@neduet.edu.pk
ORCID iD: 0000-0002-4488-8860
Scopus Author ID: 55819156200

канд. арх. наук, доцент

Пакистан, Университетская дорога, Карачи, 75270, Пакистан

Список литературы

  1. High-performance humidity sensor based on the graphene flower/zinc oxide composite / M. Saqib, S. Ali Khan, H.M. Mutee Ur Rehman, Y. Yang, S. Kim, M.M. Rehman, W. Young Kim // Nanomaterials. –2021. – Vol. 11 (1). – P. 242. – doi: 10.3390/nano11010242.
  2. Stable and fast-response capacitive humidity sensors based on a ZnO nanopowder/PVP-RGO multilayer / H. Yang, Q. Ye, R. Zeng, J. Zhang, L. Yue, M. Xu, Z.-J. Qiu, D. Wu // Sensors. – 2017. – Vol. 17 (10). – P. 2415. – doi: 10.3390/s17102415.
  3. Facile assembly of flexible humidity sensors based on nanostructured graphite/zinc oxide-coated cellulose fibrous frameworks for human healthcare / Z. Ullah, G.M. Mustafa, A.Raza, A. Khalil, A.A. Awadh Bahajjaj, R. Batool, N.I. Sonil, I. Ali, M.F. Nazar // RSC Advances. – 2024. – Vol. 14 (50). – P. 37570–37579. – doi: 10.1039/D4RA05761A.
  4. Hydrophobic multifunctional flexible sensors with a rapid humidity response for long-term respiratory monitoring / Y. Sun, X. Gao, A. Shiwei, H. Fang, M. Lu, D. Yao, C. Lu // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2023. – Vol. 11 (6). – P. 2375–2386. – doi: 10.1021/acssuschemeng.2c06162.
  5. Fast-speed, highly sensitive, flexible humidity sensors based on a printable composite of carbon nanotubes and hydrophilic polymers / S. Ding, T. Yin, S. Zhang, D. Yang, H. Zhou, S. Guo, Q. Li, Y. Wang, Y. Yang, B. Peng, R. Yang, Z. Jiang // Langmuir. – 2023. – Vol. 39 (4). – P. 1474–1481. – doi: 10.1021/acs.langmuir.2c02827.
  6. Selective encapsulation of ionic liquids in UiO-66-NH2 nanopores for enhanced humidity sensing / K. Wu, X. Miao, H. Zhao, S. Liu, T. Fei, T. Zhang // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – Vol. 6 (10). – P. 9050–9058. – doi: 10.1021/acsanm.3c01727.
  7. Self-powered graphene oxide humidity sensor based on potentiometric humidity transduction mechanism / D. Lei, Q. Zhang, N. Liu, T. Su, L. Wang, Z. Ren, Z. Zhang, J. Su, Y. Gao // Advanced Functional Materials. – 2022. – Vol. 32 (10). – P. 2107330. – doi: 10.1002/adfm.202107330.
  8. A highly sensitive and stable rGO: MoS2-based chemiresistive humidity sensor directly insertable to transformer insulating oil analyzed by customized electronic sensor interface / M.R. Adib, Y. Lee, V.V. Kondalkar, S. Kim, K. Lee // ACS Sensors. – 2021. – Vol. 6 (3). – P. 1012–1021. – doi: 10.1021/acssensors.0c02219.
  9. TiO2-SnS2 nanoheterostructures for high-performance humidity sensor / W. Yu, D. Chen, J. Li, Z. Zhang // Crystals. – 2023. – Vol. 13 (3). – P. 482. – doi: 10.3390/cryst13030482.
  10. Baig M.F.W., Hasany S.F., Shirazi M.F. Green synthesis of nano graphite materials from lemon and orange peel: A sustainable approach for carbon-based materials // Engineering Proceedings. – 2023. – Vol. 46 (1). – P. 42. – doi: 10.3390/engproc2023046042.
  11. Synthesis and characterization of silver–zinc oxide nanocomposites for humidity sensing / E. Dare, B. Adanu?Ogbole, F. Oladoyinbo, F. Makinde, A.O. Uzosike // Nano Select. – 2023. – Vol. 4 (4). – P. 255–262. – doi: 10.1002/nano.202200106.
  12. Synthesis and study of stable and size-controlled ZnO–SiO2 quantum dots: Application as a humidity sensor / M.A. Mahjoub, G. Monier, C. Robert-Goumet, F. Réveret, M. Echabaane, D. Chaudanson, M. Petit, L. Bideux, B. Gruzza // The Journal of Physical Chemistry C. – 2016. – Vol. 120 (21). – P. 11652–11662. – doi: 10.1021/acs.jpcc.6b00135.
  13. Heterojunctions of ZnO-nanorod-decorated WO3 nanosheets coated with ZIF-71 for humidity-independent NO2 sensing / L. Qian, C. Fang, Y. Gui, K. Tian, H. Guo, D. Guo, X. Guo, P. Liu // ACS Applied Nano Materials. – 2023. – Vol. 6(14). – P. 13216–13226. – doi: 10.1021/acsanm.3c01955.
  14. Sensing performance of nanocrystalline graphite-based humidity sensors / T.Y. Ling, S.H. Pu, S.J. Fishlock, Y. Han, J.D. Reynolds, J.W. McBride, H.M.H. Chong // IEEE Sensors Journal. – 2019. – Vol. 19 (14). – P. 5421–5428. – doi: 10.1109/JSEN.2019.2905719.
  15. Ultrathin glass-based flexible, transparent, and ultrasensitive surface acoustic wave humidity sensor with ZnO nanowires and graphene quantum dots / J. Wu, C. Yin, J. Zhou, H. Li, Y. Liu, Y. Shen, S. Garner, Y. Fu, H. Duan // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2020. – Vol. 12 (35). – P. 39817–39825. – doi: 10.1021/acsami.0c09962.
  16. Dinç Zor S., Cankurtaran H. Impedimetric humidity sensor based on nanohybrid composite of conducting poly (diphenylamine sulfonic acid) // Journal of Sensors. – 2016. – Vol. 2016 (1). – P. 5479092. – doi: 10.1155/2016/5479092.
  17. Enhancement of the humidity sensing performance in Mg-doped hexagonal ZnO microspheres at room temperature / C. Lin, H. Zhang, J. Zhang, C. Chen // Sensors. – 2019. – Vol. 19 (3). – P. 519. – doi: 10.3390/s19030519.
  18. Design of a humidity sensor for a PPE kit using a flexible paper substrate / P. Chaudhary, A. Verma, S. Chaudhary, M. Kumar, M.-F. Lin, Y.-C. Huang, K.-L. Chen, B.C. Yadav // Langmuir. – 2024. – Vol. 40 (18). – P. 9602–9612. – doi: 10.1021/acs.langmuir.4c00366.
  19. Zinc oxide anchored porous reduced graphene oxide: Electrode material for sensing of ezetimibe / N.P. Agadi, N.L. Teradal, D.H. Manjunatha, J. Seetharamappa // Journal of The Electrochemical Society. – 2024. – Vol. 171 (3). – P. 037513. – doi: 10.1149/1945-7111/ad2f78.
  20. Capacitively coupled contactless conductivity detection (C4D) of ZnO nanostructures gas sensor by adding Au: Pd metal with response to ethanol and acetone vapor / N. Hongsith, S. Chansuriya, B. Yatmontree, S. Uai // Journal of Physics: Conference Series. – 2023. – Vol. 2653 (1). – P. 012062. – doi: 10.1088/1742-6596/2653/1/012062.
  21. Non-crystal-RuOx/crystalline-ZnO composites: controllable synthesis and high-performance toxic gas sensors / N. Luo, H. Cai, X. Li, M. Guo, C. Wang, X. Wang, P. Hu, Z. Cheng, J. Xu // Journal of Materials Chemistry A. – 2022. – Vol. 10 (28). – P. 15136–15145. – doi: 10.1039/D2TA02856E.
  22. Electrochemical immunosensor for detection of H. pylori secretory protein VacA on g-C3N4/ZnO nanocomposite-modified Au electrode / K. Saxena, A. Kumar, N. Chauhan, M. Khanuja, B.D. Malhotra, U. Jain // ACS Omega. – 2022. – Vol. 7 (36). – P. 32292–32301. – doi: 10.1021/acsomega.2c03627.
  23. Zinc oxide-based sensor prepared by modified sol–gel route for detection of low concentrations of ethanol, methanol, acetone, and formaldehyde / R. Dhahri, M. Benamara, K.I. Nassar, E.B. Elkenany, A.M. Al-Syadi // Semiconductor Science and Technology. – 2024. – Vol. 39 (11). – P. 115021. – doi: 10.1088/1361-6641/ad825e.
  24. Hussain S., Hasany S., Ali S.U. Hematite decorated MWCNT nanohybrids: A facile synthesis // Journal of the Chemical Society of Pakistan. – 2022. – Vol. 44 (5). – P. 480–489. – doi: 10.52568/001121/JCSP/44.05.2022.
  25. Doroftei C., Leontie L. Porous nanostructured gadolinium aluminate for high-sensitivity humidity sensors // Materials. – 2021. – Vol. 14 (22). – P. 7102. – doi: 10.3390/ma14227102.
  26. Enhanced acetone gas sensing performance of ZnO polyhedrons decorated with LaFeO3 nanoparticles / H. Zhang, L. Liu, C. Huang, S. Liang, G. Jiang // Materials Research Express. – 2023. – Vol. 10 (9). – P. 095902. – doi: 10.1088/2053-1591/acf6f8.
  27. Room-temperature benzene sensing with Au-doped ZnO nanorods/exfoliated WSe2 nanosheets and density functional theory simulations / D. Zhang, W. Pan, L. Zhou, S. Yu // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2021. – Vol. 13 (28). – P. 33392–33403. – doi: 10.1021/acsami.1c03884.
  28. Reversible exsolution of dopant improves the performance of Ca2Fe2O5 for chemical looping hydrogen production / D. Hosseini, F. Donat, P.M. Abdala, S.M. Kim, A.M. Kierzkowska, C.R. Müller // ACS Applied Materials & Interfaces. – 2019. – Vol. 11 (20). – P. 18276–18284. – doi: 10.1021/acsami.8b16732.
  29. Anodic shock-triggered exsolution of metal nanoparticles from perovskite oxide / W. Fan, B. Wang, R. Gao, G. Dimitrakopoulos, J. Wang, X. Xiao, L. Ma, K. Wu, B. Yildiz, J. Li // Journal of the American Chemical Society. – 2022. – Vol. 144 (17). – P. 7657–7666. – doi: 10.1021/jacs.1c12970.
  30. Photovoltaic and impedance analysis of dye-sensitized solar cells with counter electrodes of manganese dioxide and silver-doped manganese dioxide / W. Shah, R.W. Khwaja, S.M. Faraz, Z.H. Awan, M.H. Sayyad // Engineering Proceedings. – 2023. – Vol. 46 (1). – P. 31. – doi: 10.3390/engproc2023046031.
  31. Printed carbon nanotubes-based flexible resistive humidity sensor / X. Zhang, D. Maddipatla, A.K. Bose, S. Hajian, B.B. Narakathu, J.D. Williams, M.F. Mitchell, M.Z. Atashbar // IEEE Sensors Journal. – 2020. – Vol. 20 (21). – P. 12592–12601. – doi: 10.1109/JSEN.2020.3002951.
  32. Novel copper oxide-integrated carbon paste tirofiban voltammetric sensor / M. Al-Bonayan, J.T. Althakafy, A.Q. Alorabi, N.A. Alamrani, E.H. Aljuhani, O. Alaysuy, S.D. Al-Qahtani, N.M. El-Metwaly // ACS Omega. – 2023. – Vol. 8 (5). – P. 5042–5049. – doi: 10.1021/acsomega.2c07790.
  33. Ultrafast responsive humidity sensor based on roasted gram derived carbon quantum dots: experimental and theoretical study / P. Chaudhary, D.K. Maurya, S. Yadav, A. Pandey, R.K. Tripathi, B.C. Yadav // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2021. – Vol. 329. – P. 129116. – doi: 10.1016/j.snb.2020.129116.
  34. Lee J., Cho D., Jeong Y. A resistive-type sensor based on flexible multi-walled carbon nanotubes and polyacrylic acid composite films // Solid-State Electronics. – 2013. – Vol. 87. – P. 80–84. – doi: 10.1016/j.sse.2013.05.001.
  35. Wearable humidity sensor based on porous graphene network for respiration monitoring / Y. Pang, J. Jian, T. Tu, Z. Yang, J. Ling, Y. Li, X. Wang, Y. Qiao, H. Tian, Y. Yang, T.-L. Ren // Biosensors and Bioelectronics. – 2018. – Vol. 116. – P. 123–129. – doi: 10.1016/j.bios.2018.05.038.
  36. Kumar U., Yadav B.C. Development of humidity sensor using modified curved MWCNT based thin film with DFT calculations // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2019. – Vol. 288. – P. 399–407. – doi: 10.1016/j.snb.2019.03.016.
  37. Fabrication and characterization of an ultrasensitive humidity sensor based on metal oxide/graphene hybrid nanocomposite / D. Zhang, H. Chang, P. Li, R. Liu, Q. Xue // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2016. – Vol. 225. – P. 233–240. – doi: 10.1016/j.snb.2015.11.024.
  38. Ultrahigh humidity sensitivity of graphene oxide / H. Bi, K. Yin, X. Xie, J. Ji, S. Wan, L. Sun, M. Terrones, M.S. Dresselhaus // Scientific Reports. – 2013. – Vol. 3 (1). – P. 2714. – doi: 10.1038/srep02714.
  39. Synthesis and characterizations of exohedral functionalized graphene oxide with iron nanoparticles for humidity detection / K. Kumar, U. Kumar, M. Singh, B.C. Yadav // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. – 2019. – Vol. 30 (14). – P. 13013–13023. – doi: 10.1007/s10854-019-01663-9.
  40. Enhanced performance of a CMOS interdigital capacitive humidity sensor by graphene oxide / C.-L. Zhao, M. Qin, W.-H. Li, Q.-A. Huang // 2011 16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference. – IEEE, 2011. – P. 1954–1957. – doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2011.5969243.
  41. Highly sensitive flexible humidity sensors with fast response and recovery times based on the composite of graphene oxide and WS2 for detection of human breath and fingertip proximity / G. Wang, Q. Gao, N. Ke, F. Si, J. Wang, J. Ding, W. Zhang, X. Fan // Journal of Materials Chemistry C. – 2025. – Vol. 13 (10). – P. 4929–4937. – doi: 10.1039/D4TC05303F.
  42. Wearable CNTs-based humidity sensors with high sensitivity and flexibility for real-time multiple respiratory monitoring / H.-S. Kim, J.-H. Kang, J.-Y. Hwang, U.S. Shin // Nano Convergence. – 2022. – Vol. 9 (1). – P. 35. – doi: 10.1186/s40580-022-00326-6.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».