ИСТИНА

Газовые сенсоры имеют большое практическое значение. Они используются в контроле токсичных выбросов в окружающую среду, контроле качества воздуха в помещении, обнаружении пожара, контроле качества пищи и медицинской диагностике [1,2]. Среди известных видов газовых сенсоров перспективным направлением являются полупроводниковые газовые сенсоры. Полупроводниковые сенсоры, используемые в промышленности, обладают преимуществами высокой чувствительности к следовым концентрациям газов, стабильности, дешевизны и простоты эксплуатации. Тем не менее они не лишены недостатков, самыми значимыми из которых являются высокая рабочая температура и низкая селективность [3]. Одним из возможных способов решения проблемы низкой селективности является переход к газовым сенсорам на основе сложных оксидов металлов. За счёт наличия различных катионов в структуре сложного оксида на поверхности материала присутствуют различные активные центры, что позволяет добиться более специфичного взаимодействия с газами и как следствие более высокой селективности [4]. На данный момент газовая чувствительность многих полупроводниковых сложных оксидов остаётся не изученной. Целью данной работы является определение влияния состава оксида на газовую чувствительность на примере сложных оксидов InVO4 и BiVO4, а также простых оксидов In2O3 и V2O5 как образцов сравнения, и определение механизма взаимодействия сложных оксидов с исследуемыми газами. Образцы In2O3 и BiVO4-CP были получены методом осаждения, а образцы V2O5, InVO4 и BiVO4-HT – гидротермальным методом. Согласно результатам рентгеновской дифракции, выбор метода синтеза определяет кристаллическую структуру BiVO4: образец BiVO4-CP представляет собой преимущественно тетрагональную фазу дреерита, а BiVO4-HT – моноклинную фазу клинобисванита. С помощью ТПД аммиака было показано, что кислотность поверхности увеличивается в ряду In2O3 < InVO4 < V2O5 в соответствии с увеличением отношения заряда катиона к радиусу. Кислотность поверхности образцов BiVO4-CP и V2O5 оказалась сопоставима, а кислотность поверхности BiVO4-HT оказалась значительно ниже. Из результатов ТПВ-H2 следует, что InVO4 и BiVO4 более склонны к восстановлению по сравнению с простыми оксидами, а с помощью РФЭС и ЭПР было показано, что InVO4 больше склонен к образованию кислородных вакансий по сравнению с In2O3. Согласно сенсорным измерениям, InVO4 и BiVO4 обладают более высокой газовой чувствительностью к газам-восстановителям, чем простые оксиды, что согласуется с результатами ТПВ, а V2O5 практически не чувствителен к измеряемым газам. InVO4 обладает высокой селективностью к NO2 при температуре 150 °C. Сенсорный сигнал InVO4 на 1 ppm NO2 в два раза превышает сигнал In2O3, и не зависит от влажности при относительной влажности до 60 %. С помощью ИК-in-situ-спектроскопии было показано, что на поверхности InVO4 помимо образования NO2- и NO3- протекает реакция восстановления NO2 до NO, протеканию которой, вероятно, способствовало большое количество кислородных вакансий в структуре InVO4¬. Данная реакция является предполагаемой причиной более высокой газовой чувствительности InVO4 к NO2 по сравнению с In2O3. Сенсоры BiVO4-HT и BiVO4-CP обладают высокой селективностью к H2S при температурах 100 oC и 200 oC соответственно, а при более высокой температуре данные сенсоры обладают высокой чувствительностью к ацетону. Чувствительность BiVO4-HT к H2S и BIVO4-CP к ацетону не зависела от влажности, что связано с различной кислотностью поверхности данных двух образцов. Было установлено, что структурные фрагменты VO4 в BiVO4 и VO5 в V2O¬5 взаимодействуют с газами-восстановителями, формируя донорные центры V4, за счёт которых появляется сенсорный сигнал. Селективность BiVO4 по отношению к H2S предположительно обусловлена взаимодействием частиц Bi3+ и VO43- при адсорбции и окислении целевого газа. Изменение селективности с температурой объясняется балансом между адсорбцией и термоактивируемой реакцией окисления, которая требует более высокой температуры в случае ацетона [5,6]. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-73-10038.