ИСТИНА

Газовые сенсоры имеют большое практическое значение. Полупроводниковые газовые сенсоры обладают преимуществами высокой чувствительности к следовым концентрациям газов, стабильности, дешевизны и простоты эксплуатации. Основная проблема полупроводниковых газовых сенсоров – недостаток селективности определения газов. В качестве одного из возможных решений проблемы низкой селективности рассматривается создание газовых сенсоров на основе сложных оксидов металлов. Наличие различных адсорбционных центров на поверхности материала позволяет сделать адсорбцию более избирательной, что приведет к большей селективности газового сенсора. На данный момент газовая чувствительность многих полупроводниковых сложных оксидов остаётся не изученной. Кроме того, пока не установлены истинные причины высокой селективности сложных оксидов металлов, поэтому пока это направление исследования больше имеет экспериментальный характер. Реальные условия эксплуатации сенсора почти всегда предполагают его использование в кислородсодержащей среде, однако сама кислородсодержащая атмосфера также имеет свой вклад в газовую чувствительность. Для фундаментального исследования газочувствительных свойств необходимо проводить измерение чувствительности и в инертной среде. Целью данной работы является сравнение сенсорных свойств полупроводниковых нанокристаллических ванадатов индия и висмута при взаимодействии с целевыми газами (H2S, ацетон, NO2) в кислородсодержащей и в инертной атмосфере. Образцы InVO4 и BiVO4-HT были получены гидротермальным методом, а BiVO4-CP – методом соосаждения. 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. На основе указанных образцов были изготовлены газовые сенсоры и проведены измерения сенсорной чувствительности к H2S, ацетону и NO2 в воздухе и в атмосфере аргона. При пропускании H2S и ацетона в инертной атмосфере наблюдается меньшая чувствительность по сравнению с измерениями на воздухе, что связано с протеканием реакции адсорбции газа на поверхности и отсутствием взаимодействия с решеточным или хемосорбированным кислородом. Тем не менее, чувствительность к H2S при высокой температуре (300 oC) в инертной атмосфере и на воздухе практически совпадают, что может объясняться, в случае ванадата висмута, активной адсорбцией H2S и занятием адсорбционных центров ввиду специфического связывания висмут-сера. При пропускании NO2 в инертной атмосфере достигается большая чувствительность по сравнению с воздушной средой, что связано с окислительной природой NO2 и большей доступности поверхности ввиду отсутствия на ней хемосорбированного кислорода. Для дополнительного объяснения и подтверждения наблюдаемых эффектов образцы были исследованы методом in situ ИК-спектроскопии диффузного отражения. Было исследовано поведение InVO4 при пропускании NO2 и поведение BiVO4 при пропускании H2S. При исследовании InVO4 в инертной атмосфере наблюдается множество сигналов, соответствующих нитрат и нитрит-ионам. Пики более интенсивные, чем аналогичные на воздухе, что согласуется с большей чувствительностью в инертной атмосфере. Особенно заметен рост пика, соответствующего монодентатному NO3-, что свидетельствует о том, что взаимодействие в инертной среде протекает по другому механизму, вероятно, благодаря окислению нитрит-иона кислородом решетки. Для BiVO4 при взаимодействии с H2S наблюдается обертоны колебаний ванадий-кислород решетки. Подобные обертоны наблюдались и при исследовании взаимодействия на воздухе. Это означает, что при взаимодействии наблюдается обратимое окисление H2S кислородом решетки. Возможность окисления кислородом решетки в инертной атмосфере подтверждается так же и компьютерным моделированием адсорбции H2S на поверхности BiVO4. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 22-73-10038-П.