PROPERTIES and GAS SENSING PERFORMANCES of LOW DIMENSIONAL METAL OXIDES NANOSTRUCTURES

In the development of chemical sensors, sensitivity, selectivity, and stability (S3) are the most crucial factors. Additionally, factors such as fast response time and low operating temperature are crucial for practical gas sensor design. In this context, cobalt oxide (Co3O4) nanostructures were fabricated on alumina (Al2O3) substrates to study the potential of improving the above mention gas sensing functionality of Co3O4. The fabrication process of Co3O4/ZnO composite nanowires involves the in-situ thermal evaporation and oxidation at 800 °C in a vacuum environment with a pressure of 0.17 mbar and an airflow of 100 sccm Argon and 0.5 sccm oxygen. The Co3O4/ZnO composite nanowires produced feature a Pt tip, a Co3O4 layer, and a Co3O4/ZnO base with a Co3O4 root. These nanowires exhibit n-type semiconducting behavior, displaying a high response of 5530 (ΔG/G) at 40% relative humidity (RH) when operating at 250 °C, to 50 ppm of acetone. This n-type behavior is attributed to the high concentration of ZnO in the composite. The sensors exhibit good repeatability, stability, and can detect acetone at sub-ppb levels, making them ideal for breath analysis with a detection limit of 500 ppb. The prepared pristine Co3O4 nanowires (1-5 μm with 6-50 nm diameter) through thermal oxidation at 300 °C show excellent selectivity towards hydrogen when operating at 450 °C. The sensors exhibit abnormal n-type semiconducting behavior, due to the participation of lattice oxygen in the chemical sensing mechanism, as a result of the high operating temperature. The record low detection limit was 360 ppb. Furthermore, the sensors demonstrate excellent repeatability, stability, and resistance to humidity (90 RH%) gas sensing functionality due to their catalytic activity and high operating temperature. Additionally, the study aims to explore the feasibility of reducing the preparation cost through the use of green synthesis to produce Co3O4 nanowalls. To accomplish this, Co3O4 nanowalls were prepared through thermal annealing at 280 °C on a hot plate. The resulting nanowalls III displayed good selectivity towards acetone when operating at 500 °C and this performance was further improved by 25.2-fold to 10 ppm acetone through Pt functionalization. This study also investigates the synthesis of monoclinic TiO2 nanobelts and Nb2O5 microcolumns through hydrothermal methods. The use of acetic acid as a protonating agent was found to effectively protonate TiO2-(B) and produce TiO2 gas sensors with impressive performance, reaching a response of 6.5 to 10 ppm of acetone at 150 °C. Nb2O5 microcolumns grown at 180 °C and calcined at 700 °C formed an orthorhombic crystal structure, which showed good selectivity in detecting ethanol with a detection limit of 1.4 ppb when operated at 500 °C in dry air. The sensors also maintained good performance in conditions of 90% humidity, only experiencing a 4% degradation in response compared to dry conditions (2.51, 10 ppm).

Nello sviluppo di sensori chimici, la sensibilità, la selettività e la stabilità (S3) sono i fattori più cruciali. Inoltre, fattori come il tempo di risposta rapido e la bassa temperatura di esercizio sono fondamentali per la progettazione del sensore di gas. Nanostrutture di ossido di cobalto (Co3O4) sono state fabbricate su substrati di allumina (Al2O3) per studiare il potenziale di miglioramento della suddetta funzionalità di rilevamento del gas del Co3O4. Il processo di fabbricazione dei nanofili compositi Co3O4/ZnO prevede l'evaporazione termica in situ e l'ossidazione a 800 °C in un ambiente con una pressione di 0,17 mbar e un flusso di 100 sccm di argon e 0,5 sccm di ossigeno. I nanofili Co3O4/ZnO prodotti presentano una punta di Pt, uno strato di Co3O4 e una base di Co3O4/ZnO con la parte iniziale di Co3O4. Questi nanofili presentano un comportamento semiconduttore di tipo n, mostrano un'elevata risposta di 5530 (ΔG/G) a 50 ppm di acetone con il 40% di umidità relativa (RH) a 250 °C. Questo comportamento di tipo n è attribuito all'elevata concentrazione di ZnO nel composito. I sensori presentano una buona ripetibilità, stabilità e sono in grado di rilevare l'acetone a livelli inferiori a ppb, questo li rende ideali per l'analisi del respiro in cui è richiesto un limite di rilevamento di 500 ppb. I nanofili Co3O4 invece sono stati preparati (1-5 μm con diametro 6-50 nm) attraverso l'ossidazione termica a 300 °C. Essi mostrano un'eccellente selettività verso l'idrogeno quando operano a 450 °C. I sensori presentano un comportamento semiconduttore anomalo di tipo n, a causa della partecipazione dell'ossigeno reticolare nel meccanismo di rilevamento a causa dell'elevata temperatura operativa. Il limite di rilevamento minimo è di 360 ppb. Inoltre, i sensori dimostrano un'eccellente ripetibilità, stabilità e funzionalità di rilevamento del gas all'umidità (90 RH%) grazie alla loro attività catalitica e all'elevata temperatura di esercizio. Inoltre, questo studio mira a esplorare la fattibilità della riduzione dei costi di preparazione attraverso l'uso della sintesi verde per produrre nanowall di Co3O4. Questi nanowall di Co3O4 sono stati preparati mediante trattamento termico a 280 °C su una piastra riscaldante. I nanowall V risultanti hanno mostrato una buona selettività nei confronti dell'acetone quando si opera a 500 °C e le prestazioni sono state ulteriormente migliorate di 25,2 volte verso 10 ppm di acetone attraverso la funzionalizzazione del Pt. Questo studio indaga anche la sintesi di nanocinture di TiO2 monoclino e microcolonne di Nb2O5 attraverso metodi idrotermali. È stato scoperto che l'uso dell'acido acetico come agente protonante protona efficacemente TiO2-(B) e produce sensori di gas TiO2 con una risposta di 6,5 a 10 ppm di acetone a 150 °C. Le microcolonne Nb2O5 cresciute a 180 °C e calcinate a 700 °C hanno formato una struttura cristallina ortorombica, che ha mostrato una buona selettività nel rilevare l'etanolo con un limite di rilevamento di 1,4 ppb se operata a 500 °C in aria secca. I sensori hanno anche mantenuto buone prestazioni in condizioni di umidità del 90%, registrando una riduzione del 4% in risposta rispetto alle condizioni in aria secca (2,51, 10 ppm).