Selective gas sensors based on tin dioxide and hybrid oxohydroxoorganotin materials

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.

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.