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Selective gas sensors based on tin dioxide and hybrid oxohydroxoorganotin materials

Lee, Szu-Hsuan (2020):
Selective gas sensors based on tin dioxide and hybrid oxohydroxoorganotin materials.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009251,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Selective gas sensors based on tin dioxide and hybrid oxohydroxoorganotin materials
Language: English
Abstract:

The ultimate objective of this research is to draw new prospects in the gas sensing field by finely tuning the chemical nature, the texture and the morphology of the active layer to develop new type selective gas sensors. As an efficient gas sensor, selectivity is a remarkable parameter. Our approach is based on the design of molecular single precursors – alkynylorganotins which contain suitable functionalities required to obtain stable hybrid materials by the sol-gel method exhibiting selective gas detection towards harmful/toxic gases. Their gas sensing properties have been compared with those of tin dioxide (SnO2) nanoparticles synthesized by the hydrothermal route.

A series of functional oxohydroxoorganotin-based materials (OXT5a, OXT5b, OXT5c, and OXT5d) as well as the SnO2 nanoparticles have been processed as films by the spin or drop coating method and characterized by XRD, FT-IR, RAMAN, AFM, SEM, TEM, N2 sorption and TGA-DTA measurements. Gas sensing studies show that one of the hybrid oxohydroxoorganotins exhibits an outstanding selective gas sensing response towards various gases, such as CO, H2, ethanol, acetone and NO2 whereas SnO2 nanoparticles present no obvious selective gas sensing ability under the same experimental condition. Thus, the best gas selectivity toward 100, 200, and 400 ppm of H2 (gas response: 12.65, 29.57 and 48.89) and 2, 4, and 8 ppm of NO2 (gas response: 18.84, 48.13 and 70.87 ppm) was achieved respectively at 100 °C and 200 °C for hybrid oxohydroxoorganotin-based film (OXT5a). On the other hand, SnO2 nanoparticles which prepared via a hydrothermal route under acidic and basic conditions, of a commercial tin dioxide particle suspension including potassium conterions, show how the impact of the counterion residuals on gas sensing behavior to an extent rather than size and surface area effects.

Finally, both oxohydroxoorganotin-based and tin dioxide materials display superior gas sensing ability at low gas concentrations and even at low operating temperature which opens a fully new class of gas sensing materials as well as a new possibility to integrate organic functionality in gas sensing metal oxides.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
L'objectif de cette recherche est d’explorer de nouvelles voies dans le domaine de la détection de gaz, en ajustant finement la nature chimique, la texture et la morphologie de la couche active pour concevoir de nouveaux capteurs de gaz sélectifs. Ainsi, l’obtention de matériau présentant une haute sélectivité vis-à-vis des gaz, constitue un enjeu majeur dans le domaine des capteurs de gaz. Notre approche est basée sur la conception de précurseurs moléculaires uniques - les alcynylorganoétains - qui contiennent toutes les fonctionnalités requises pour obtenir des matériaux hybrides stables par le procédé sol-gel, ces matériaux permettant une détection sélective des gaz nocifs/toxiques. Ensuite, les propriétés de détection de gaz de ces matériaux ont été comparées à celles des nanoparticules de dioxyde d'étain (SnO2), synthétisées à pression autogène. Une série de matériaux fonctionnels à base d'organooxoétains a été déposée sous forme de films minces par le procédé d’enduction centrifuge, puis ces films ont été caractérisés par des mesures de XRD, FT-IR, RAMAN, AFM, SEM, TEM, sorption d’azote et TGA-DTA. Les études de détection de gaz montrent que l'un des oxydes d'organoétain hybride présente une réponse sélective de détection de gaz tels que le CO, H2, l'éthanol, l'acétone et le NO2, tandis que les nanoparticules SnO2 conduisent à une détection non sélective des mêmes gaz dans les mêmes conditions. Ainsi, la meilleure sélectivité vis-à-vis du CO (à 100 et 200 ppm), de H2 (à 100, 200 et 400 ppm) et de NO2 (à 1, 2, 4 et 8 ppm) a été obtenue à 100 ° C pour le matériau hybride organostannique tandis que ce matériau ne conduisait à aucune réponse avec l’éthanol et l’acétone. Par ailleurs, les films de SnO2 nanoparticulaires sont sensibles à tous les gaz testés à de faibles concentrations (CO: 10 ~ 100 ppm, NO2: 0.5 à 4 ppm, H2: 100 à 800 ppm, acétone: 25 à 200 ppm, éthanol : 10 ~ 100 ppm) sur une plage de température comprise entre 200 et 400 °C. En outre, la sélectivité des matériaux SnO2 vis-à-vis de NO2 (entre 0.5 à 4 ppm) peut être optimisée en contrôlant bien la température de détection. Enfin, les matériaux à base d’organoétains et de dioxyde d’étain présentent une capacité de détection de gaz très élevée, à de faibles concentrations en gaz. Ces résultats ont permis de développer une classe de matériaux entièrement nouvelle pour la détection sélective de gaz et offrent la possibilité d'intégrer une fonctionnalité organique dans les oxydes métalliques capables de détecter les gaz.French
Das Ziel dieser Forschung ist es, neue Wege auf dem Gebiet der Gasdetektion zu erkunden, indem die chemische Natur, die Textur und die Morphologie der aktiven Schicht fein eingestellt werden, um neue selektive Gassensoren zu entwickeln. Das Erhalten eines Materials mit einer hohen Selektivität gegenüber Gasen stellt daher eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Gassensoren dar. Unser Ansatz basiert auf dem Design einzigartiger molekularer Vorläufer - Alkinylorganotine -, die alle Funktionen enthalten, die erforderlich sind, um stabile Hybridmaterialien nach dem Sol-Gel-Verfahren zu erhalten. Diese Materialien ermöglichen den selektiven Nachweis schädlicher / toxischer Gase. Dann wurden die Gasdetektionseigenschaften dieser Materialien mit denen von Zinndioxid-Nanopartikeln (SnO2) verglichen, die bei autogenem Druck synthetisiert wurden. Eine Reihe von funktionellen Materialien auf der Basis von Organooxoetinen wurde in Form von dünnen Filmen durch das Zentrifugalbeschichtungsverfahren abgeschieden, dann wurden diese Filme durch Messungen von XRD, FT-IR, RAMAN, AFM, SEM, TEM, charakterisiert. Stickstoffsorption und TGA-DTA. Gasdetektionsstudien zeigen, dass eines der hybriden Organozinnoxide eine selektive Nachweisreaktion von Gasen wie CO, H2, Ethanol, Aceton und NO2 zeigt, während die SnO2-Nanopartikel dazu führen nichtselektiver Nachweis der gleichen Gase unter den gleichen Bedingungen. Somit wurde die beste Selektivität in Bezug auf CO (bei 100 und 200 ppm), H2 (bei 100, 200 und 400 ppm) und NO2 (bei 1, 2, 4 und 8 ppm) bei 100 erhalten ° C für das organostannische Hybridmaterial, während dieses Material zu keiner Reaktion mit Ethanol und Aceton führte. Darüber hinaus sind nanopartikuläre SnO2-Filme gegenüber allen in niedrigen Konzentrationen getesteten Gasen empfindlich (CO: 10 bis 100 ppm, NO 2: 0,5 bis 4 ppm, H 2: 100 bis 800 ppm, Aceton: 25 bis 200 ppm, Ethanol: 10 ~ 100 ppm) über einen Temperaturbereich zwischen 200 und 400 ° C. Darüber hinaus kann die Selektivität von SnO2-Materialien gegenüber NO2 (zwischen 0,5 und 4 ppm) durch ordnungsgemäße Steuerung der Detektionstemperatur optimiert werden. Schließlich haben Materialien auf der Basis von Organozinn und Zinndioxid bei niedrigen Gaskonzentrationen eine sehr hohe Gasdetektionskapazität. Diese Ergebnisse haben es ermöglicht, eine völlig neue Klasse von Materialien für den selektiven Nachweis von Gasen zu entwickeln und die Möglichkeit zu bieten, eine organische Funktionalität in die Metalloxide zu integrieren, die Gase nachweisen können.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Functional Materials
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
Date Deposited: 02 Jun 2020 07:53
Last Modified: 09 Jul 2020 02:49
DOI: 10.25534/tuprints-00009251
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-92519
Referees: Toupance, Prof. Dr. Thierry and Riedel, Prof. Dr. Ralf and Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Clemens, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 20 March 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9251
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