Влияние на газочувствительные свойства нанокомпозитов Ti3C2Tx/TiOx состава травящей системы MF–HCl (M = Li+, Na+, NH4+)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Изучено влияние природы травящих систем MF–HCl (M = Li+, Na+, NH4+) на протекание процесса синтеза максенов Ti3C2Tx на основе МАХ-фазы Ti3AlC2, микроструктуру, фазовую чистоту, межслоевое расстояние, состав функциональных поверхностных групп, термическое поведение и работу выхода получаемых продуктов. Изучены сенсорные свойства при комнатной температуре рецепторных слоев Ti3C2Tx, нанесенных методом микроплоттерной печати, по отношению к широкому кругу газообразных аналитов (H2, CO, NH3, NO2, O2, бензол, ацетон, метан и этанол). Выявлена повышенная чувствительность к аммиаку максенов, полученных в результате воздействия солянокислых растворов фторидов натрия и аммония, и к монооксиду углерода образца, синтезированного с помощью системы LiF–HCl. Отмечены высокие отклики (~20–30% на 100 ppm NO2) для всех трех рецепторных материалов, однако процессы восстановления датчиков значительно затруднены. Для улучшения сенсорных характеристик чувствительные слои Ti3C2Tx подвержены относительно низкотемпературной термической обработке в воздушной атмосфере для формирования нанокомпозитов Ti3C2Tx/TiOx. Выявлено, что для частично окисленных максенов наблюдается высокий селективный отклик на кислород при очень низких рабочих температурах (125–175°С), что особенно характерно для материала, изготовленного с применением системы HCl–NaF.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. П. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991; Миусская пл., 9, Москва, 125047

А. С. Мокрушин

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

И. А. Нагорнов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

В. М. Сапронова

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991; Миусская пл., 9, Москва, 125047

Ю. М. Горбань

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991; Миусская пл., 9, Москва, 125047

Ф. Ю. Горобцов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Т. Л. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Н. П. Симоненко

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Н. Т. Кузнецов

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

Email: ep_simonenko@mail.ru
Россия, Ленинский пр-т, 31, Москва, 119991

Список литературы

  1. Zhang J., Qin Z., Zeng D. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. № 9. P. 6313. https://doi.org/10.1039/C6CP07799D
  2. Wang H., Ma J., Zhang J. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2021. V. 33. № 30. P. 303001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/abf477
  3. Peterson P., Aujla A., Grant K. et al. // Sensors. 2017. V. 17. № 7. P. 1653. https://doi.org/10.3390/s17071653
  4. De Vito S., Massera E., Piga M. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2008. V. 129. № 2. P. 750. https://doi.org/10.1016/j.snb.2007.09.060
  5. Mahajan S., Jagtap S. // J. Electron. Mater. 2021. V. 50. № 5. P. 2531. https://doi.org/10.1007/s11664-021-08761-7
  6. Mishra A., Basu S., Shetti N.P. et al. // J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2019. V. 30. № 9. P. 8160. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01232-0
  7. Reddy B.K.S., Borse P.H. // J. Electrochem. Soc. 2021. V. 168. № 5. P. 057521. https://doi.org/10.1149/1945-7111/abf4ea
  8. 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
  9. Nadargi D.Y., Umar A., Nadargi J.D. et al. // J. Mater. Sci. 2023. V. 58. № 2. P. 559. https://doi.org/10.1007/s10853-022-08072-0
  10. Wilson A. // Metabolites. 2015. V. 5. № 1. P. 140. https://doi.org/10.3390/metabo5010140
  11. van der Sar I.G., Wijbenga N., Nakshbandi G. et al. // Respir. Res. 2021. V. 22. № 1. P. 246. https://doi.org/10.1186/s12931-021-01835-4
  12. Licht J.-C., Grasemann H. // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. № 24. P. 9416. https://doi.org/10.3390/ijms21249416
  13. Liu C., Wang Q., Wang C. et al. // Trends Environ. Anal. Chem. 2023. V. 40. P. E00215. https://doi.org/10.1016/j.teac.2023.e00215
  14. Deshmukh K., Kovářík T., Khadheer Pasha S.K. // Coord. Chem. Rev. 2020. V. 424. P. 213514. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2020.213514
  15. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Mokrushin A.S. et al. // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 5. P. 850. https://doi.org/10.3390/nano13050850
  16. Devaraj M., Rajendran S., Hoang T.K.A. et al. // Chemosphere. 2022. V. 302. P. 134933. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134933
  17. 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
  18. Choi S.-J., Kim I.-D. // Electron. Mater. Lett. 2018. V. 14. № 3. P. 221. https://doi.org/10.1007/s13391-018-0044-z
  19. Li Q., Li Y., Zeng W. // Chemosensors. 2021. V. 9. № 8. P. 225. https://doi.org/10.3390/chemosensors9080225
  20. Riazi H., Taghizadeh G., Soroush M. // ACS Omega. 2021. V. 6. № 17. P. 11103. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05828
  21. Ho D.H., Choi Y.Y., Jo S.B. et al. // Adv. Mater. 2021. V. 33. № 47. P. 2005846. https://doi.org/10.1002/adma.202005846
  22. Sivasankarapillai V.S., Sharma T.S.K., Hwa K.-Y. et al. // ES Energy Environ. 2022. https://doi.org/10.30919/esee8c618
  23. Alwarappan S., Nesakumar N., Sun D. et al. // Biosens. Bioelectron. 2022. V. 205. P. 113943. https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113943
  24. Simonenko E.P., Nagornov I.A., Mokrushin A.S. et al. // Micromachines. 2023. V. 14. № 4. P. 725. https://doi.org/10.3390/mi14040725
  25. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  26. Khakbaz P., Moshayedi M., Hajian S. et al. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. № 49. P. 29794. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09823
  27. Wu M., He M., Hu Q. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 10. P. 2763. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01308
  28. Lee E., VahidMohammadi A., Prorok B.C. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 42. P. 37184. https://doi.org/10.1021/acsami.7b11055
  29. Yang Z., Liu A., Wang C. et al. // ACS Sensors 2019. V. 4. № 5. P. 1261. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00127
  30. Alhabeb M., Maleski K., Anasori B. et al. // Chem. Mater. 2017. V. 29. № 18. P. 7633. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b02847
  31. Lipatov A., Alhabeb M., Lukatskaya M.R. et al. // Adv. Electron. Mater. 2016. V. 2. № 12. https://doi.org/10.1002/aelm.201600255
  32. Shayesteh Zeraati A., Mirkhani S.A., Sun P. et al. // Nanoscale. 2021. V. 13. № 6. P. 3572. https://doi.org/10.1039/D0NR06671K
  33. Yang M., Huang M., Li Y. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2022. V. 364. P. 131867. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.131867
  34. Sinha A., Ma K., Zhao H. // J. Colloid Interface Sci. 2021. V. 590. P. 365. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.01.063
  35. Sun Q., Wang J., Wang X. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. № 32. P. 16987. https://doi.org/10.1039/C9NR08350B
  36. Kvashina T.S., Uvarov N.F., Korchagin M.A. et al. // Mater. Today Proc. 2020. V. 31. P. 592. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.07.107
  37. Wang L., Zhang H., Wang B. et al. // Electron. Mater. Lett. 2016. V. 12. № 5. P. 702. https://doi.org/10.1007/s13391-016-6088-z
  38. Liu F., Zhou A., Chen J. et al. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 416. P. 781. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.04.239
  39. Wang L., Liu D., Lian W. et al. // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. № 1. P. 984. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.11.038
  40. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Gorobtsov P.Y. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 13. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010013
  41. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Averin A.A. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 142. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020142
  42. 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
  43. Choi J., Kim Y., Cho S. et al. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 40. P. 2003998. https://doi.org/10.1002/adfm.202003998
  44. Pazniak H., Plugin I.A., Loes M.J. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2020. V. 3. № 4. P. 3195. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02223
  45. Kuang D., Wang L., Guo X. et al. // J. Hazard. Mater. 2021. V. 416. P. 126171. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126171
  46. 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
  47. Zhang D., Yu S., Wang X. et al. // J. Hazard. Mater. 2022. V. 423. P. 127160. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127160
  48. Zhou Y., Wang Y., Wang Y. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. № 47. P. 56485. https://doi.org/10.1021/acsami.1c17429
  49. 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
  50. 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
  51. Luo W., Liu Y., Wang C. et al. // J. Mater. Chem. C. 2021. V. 9. № 24. P. 7697. https://doi.org/10.1039/D1TC01338F
  52. 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
  53. 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
  54. Simonenko N.P., Fisenko N.A., Fedorov F.S. et al. // Sensors (Switzerland). 2022. V. 22. № 3247. P. 1. https://doi.org/10.3390/s22093473
  55. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Averin A.A. et al. // Biosensors. 2023. V. 13. № 4. P. 445. https://doi.org/10.3390/bios13040445
  56. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2099. https://doi.org/10.1134/S0036023622601520
  57. Nagornov I.A., Mokrushin A.S., Simonenko E.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 4. P. 539. https://doi.org/10.1134/S0036023622040143
  58. Lane N.J., Vogel S.C., Caspi E.N. et al. // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 18. https://doi.org/10.1063/1.4803700
  59. Aigner K., Lengauer W., Rafaja D. et al. // J. Alloys Compd. 1994. V. 215. № 1–2. P. 121. https://doi.org/10.1016/0925-8388(94)90828-1
  60. Liu F., Zhou J., Wang S. et al. // J. Electrochem. Soc. 2017. V. 164. № 4. P. A709. https://doi.org/10.1149/2.0641704jes
  61. Qi Q., Zhang W.Z., Shi L.Q. et al. // Thin Solid Films. 2012. V. 520. № 23. P. 6882. h ttps://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.07.040
  62. Lioi D.B., Neher G., Heckler J.E. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2019. V. 2. № 10. P. 6087. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01194
  63. Peng M., Wu Z., Wei W. et al. // Adv. Mater. Interfaces. 2022. V. 9. № 18. Р. 2102418. https://doi.org/10.1002/admi.202102418
  64. Hildenbrand V.D., Fuess H., Pfaff G. et al. // Z. Phys. Chem. 1996. V. 194. № 2. P. 139. https://doi.org/10.1524/zpch.1996.194.Part_2.139
  65. Hart J.L., Hantanasirisakul K., Lang A.C. et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 522. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08169-8
  66. Jing H., Lyu B., Tang Y. et al. // Small Sci. 2022. V. 2. № 11. https://doi.org/10.1002/smsc.202200057
  67. Hou C., Yu H., Huang C. // J. Mater. Chem. C. 2019. V. 7. № 37. P. 11549. https://doi.org/10.1039/C9TC03415C
  68. Ma R., Fukuda K., Sasaki T. et al. // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 13. P. 6210. https://doi.org/10.1021/jp044282r
  69. Ma H.L., Yang J.Y., Dai Y. et al. // Appl. Surf. Sci. 2007. V. 253. № 18. P. 7497. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.03.047
  70. Mokrushin A.S., Simonenko E.P., Simonenko N.P. et al. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 463. P. 197. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.08.208
  71. Simonenko E.P., Mokrushin A.S., Simonenko N.P. et al. // Thin Solid Films. 2019. V. 670. P. 46. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.12.004
  72. Mokrushin A.S., Simonenko T.L., Simonenko N.P. et al. // J. Alloys Compd. 2021. V. 868. P. 159090. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.159090

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгенограммы исходной МАХ-фазы Ti3AlC2 (черная) и образцов максена Ti3C2Tx, полученных с применением LiF (синяя), NaF (зеленая) и NH4F (красная).

Скачать (198KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Раман-спектры исходных порошков максенов Ti3C2Tx, полученных с помощью травящих систем MF–HCl, где М = Li+ (синий), Na+ (черный) и NH+4 (красный).

Скачать (297KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроструктура порошка Ti3C2Tx, полученного с применением системы LiF–HCl по данным РЭМ (а–г) и ПЭМ (д–з).

Скачать (799KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Микроструктура порошка Ti3C2Tx, полученного с применением системы NaF–HCl по данным РЭМ (а–г) и ПЭМ (д–з).

Скачать (755KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Микроструктура порошка Ti3C2Tx, полученного с применением системы NH4F–HCl по данным РЭМ (а–г) и ПЭМ (д–з).

Скачать (744KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Кривые ДСК (красные) и ТГА (синие) в токе воздуха образцов максена Ti3C2Tx, полученных с помощью систем LiF–HCl (а), NaF–HCl (б) и NH4F–HCl (в); на врезках приведено наложение кривых ТГА на воздухе и в аргоне.

Скачать (598KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Диаграмма селективности слоев индивидуальных максенов Ti3C2Tx, полученных с применением LiF (зеленый), NaF (красный) и NH4F (синий), составленная из откликов (S1, %) на различные газы (100 ppm CO, бензола, ацетона, этанола, NH3, а также 1000 ppm CH4, H2 и 10% O2), детектирование выполнено при комнатной температуре.

Скачать (149KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Раман-спектры слоев максенов Ti3C2Tx, полученных с применением LiF (синий), NaF (черный) и NH4F (красный), после их частичного окисления в результате термической обработки на воздухе при температурах 150 (а) и 200°С (б).

Скачать (267KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Отклики (S2) на 10% O2 при рабочей температуре 125°С для нанокомпозитов Ti3C2Tx/TiOx на основе максенов Ti3C2Tx, синтезированных в системах LiF–HCl (синяя), NaF–HCl (черная) и NH4F–HCl (красная), после их частичного окисления при температуре 150°С.

Скачать (86KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Диаграмма селективности Ti3C2Tx/TiOx на основе максенов, полученных с использованием LiF, NaF и NH4F, составленная из откликов (S2) на различные газы (100 ppm CO, бензола, ацетона, этанола, NH3; 1000 ppm CH4, H2; 10% O2) (а); отклики на 1–20% O2 (б) и их зависимость от концентрации кислорода (в). Температура окисления слоев максенов – 200С, температуры детектирования для образцов, полученных с применением LiF и NaF, – 150С, а для образца, полученного с помощью NH4F, – 175С.

Скачать (246KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024