Conductive composites of engineered nanomaterials with excellent gas sensing properties
Zhou, Jin (2023-04-14)
https://urn.fi/URN:ISBN:9789526236551
Kuvaus
Tiivistelmä
Abstract
Gas sensors are widely used devices because the analysis of gas chemistry of the environment and industrial processes is important for safety and automation. Most commercial sensors are resistive devices, in which semiconducting metal oxides are used as active materials. While these sensors are simple and robust, their major drawbacks are the use of critical metals to enable selectivity and the integration of a heating element to reach sufficiently high conductivity (as well as gas desorption) and thus reliable operation. To solve these issues, organic (semi)conductive polymers, 2-dimensional transition metal dichalcogenides and carbides are promising alternatives due to their lower operating temperature and tunable gas selectivity, which may be achieved by relatively simple redesign and tuning of their structures and surface chemistries. The functional groups in the interacting molecules and surfaces mostly determine the type and strength of molecular interactions, and subsequently the charge transfer, between the analytes and the surfaces.
Therefore, in this thesis, various material selections and facile synthesis strategies were used to control the analyte adsorption and charge transfer characteristics of engineered nanomaterials and polymers. Bromine functionalized fullerenes were synthesized as well as ion-in-conjugated polysquaraines and a polycroconaine; and their gas sensing behavior was explored in composites with conductive nanomaterial fillers such as single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) or layered titanium carbides (Ti3C2Tx). The produced nanocomposites showed high selectivity for H2S and/or NH3 with extremely low limits of detection, in the part-per-billion concentration range, even at room temperature. Density functional theory (DFT) calculations revealed that the surface functional groups and ion-in-conjugated polymer structures facilitate the interaction with gas analytes and contribute to high adsorption energy and efficient charge transfer with H2S and/or NH3 in good agreement with the experiments. Although, the primary goal with the application of conductive phases in the composites was to enhance the overall conductivity to enable practical measurements, it became apparent that SWCNTs or Ti3C2Tx also contribute to gas adsorption and/or charge transfer processes, hence affecting the gas sensing behavior of the corresponding composites.
Tiivistelmä
Nykyään kaasuanturit ovat yleisiä laitteita, sillä sekä ympäristön että teollisten prosessien kaasukemian analysointi on turvallisuuden ja automaation kannalta tärkeää. Suurin osa kaupallisista antureista ovat resistiivisiä, joissa aktiivisina materiaaleina käytetään puolijohtavia metallioksideja. Vaikka nämä anturit ovat yksinkertaisia ja robusteja, niiden suurimpia haittoja ovat selektiivisyyden edellyttämä kriittisten metallien käyttö ja lämmityselementin integrointi riittävän korkean johtavuuden (sekä kaasun desorption) saavuttamiseksi, mikä on luotettavan toiminnallisuuden vaatimuksena näissä sovelluksissa. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi orgaaniset (puoli)johtavat polymeerit sekä 2-ulotteiset siirtymämetallidikalkogenidit ja -karbidit ovat lupaavia vaihtoehtoja alhaisemman käyttölämpötilan ja säädettävän kaasun selektiivisyyden vuoksi, joka on saavutettavissa suhteellisen suoraviivaisella rakenteen ja pintakemian suunnittelulla. Sekä kaasumolekyylien että pintojen funktionaaliset ryhmät määrittävät suurin osin molekyylivuorovaikutusten tyypin ja voimakkuuden ja täten myös varauksen siirron analyytin ja pinnan välillä.
Tässä väitöstyössä käytettiin suunniteltujen nanomateriaalien ja polymeerien osalta erilaisia helppokäyttöisiä valinta- ja synteesistrategioita analyytin adsorptio- ja varauksensiirto-ominaisuuksien ohjaamiseksi. Työssä syntetisoitiin bromifunktionalisoituja fullereeneja sekä ionikonjugoituja polysquaraiinia että polykrokonaiinia, ja tutkittiin niiden kaasuntunnistuskäyttäytymistä nanomateriaalitäyteaineita, kuten yksiseinäisiä hiilinanoputkia (SWCNT) tai kerrostettuja titaanikarbideja (Ti3C2Tx), sisältävissä komposiiteissa. Valmistetut nanokomposiitit osoittivat korkeaa selektiivisyyttä H2S:lle ja/tai NH3:lle erittäin pienillä, jopa miljardisosan pitoisuuksilla, jo huoneenlämpötilassa. Tiheysfunktionaaliteorian (DFT) laskelmat paljastivat, että pintojen funktionaaliset ryhmät ja ioni-konjugoidut polymeerirakenteet helpottavat vuorovaikutusta materiaalin ja kaasuanalyyttien välillä ja täten edistävät korkeaa adsorptioenergiaa ja tehokasta varauksensiirtoa H2S:n ja/tai NH3:n kanssa, mikä vastaa hyvin kokeellisia tuloksia. Vaikkakin ensisijainen tavoite johtavien faasejien käyttölle komposiiteissa oli parantaa yleistä johtavuutta käytännön mittausten mahdollistamiseksi, havaittiin, että SWCNT:t tai Ti3C2Tx vaikuttavat myös kaasun adsorptio- ja/tai varauksensiirtoprosesseihin ja täten myös kaasuntunnistuskäyttäytymiseen komposiiteissa.
Original papers
Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.
Zhou, J., Bagheri, M., Järvinen, T., Pravda Bartus, C., Kukovecz, A., Komsa, H.-P., & Kordas, K. (2021). C60Br24/SWCNT: A highly sensitive medium to detect H2S via inhomogeneous carrier doping. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(49), 59067–59075. https://doi.org/10.1021/acsami.1c16807
Zhou, J., Järvinen, T., Pitkänen, O., Kónya, Z., Kukovecz, A., & Kordas, K. (2021). Composites of ion-in-conjugation polysquaraine and SWCNTs for the detection of H2S and NH3 at ppb concentrations. Nanotechnology, 32(18), 185502. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdf06
Zhou, J., Hosseini Shokouh, S. H., Komsa, H.-P., Rieppo, L., Cui, L., Lv, Z.-P., & Kordas, K. (2022). Mxene‐polymer hybrid for high‐performance gas sensor prepared by microwave‐assisted in‐situ intercalation. Advanced Materials Technologies, 7(9), 2101565. https://doi.org/10.1002/admt.202101565
Zhou, J., Hosseini Shokouh, S. H., Cui, L., Järvinen, T., Pitkänen, O., Lv, Z.-P., & Kordas, K. (2023). An ultra-sensitive NH3 gas sensor enabled by an ion-in-conjugated polycroconaine/Ti3C2Tx core–shell composite. Nanoscale Horizons. Advance online publication. https://doi.org/10.1039/D2NH00591C
Osajulkaisut
Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.
Zhou, J., Bagheri, M., Järvinen, T., Pravda Bartus, C., Kukovecz, A., Komsa, H.-P., & Kordas, K. (2021). C60Br24/SWCNT: A highly sensitive medium to detect H2S via inhomogeneous carrier doping. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(49), 59067–59075. https://doi.org/10.1021/acsami.1c16807
Zhou, J., Järvinen, T., Pitkänen, O., Kónya, Z., Kukovecz, A., & Kordas, K. (2021). Composites of ion-in-conjugation polysquaraine and SWCNTs for the detection of H2S and NH3 at ppb concentrations. Nanotechnology, 32(18), 185502. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abdf06
Zhou, J., Hosseini Shokouh, S. H., Komsa, H.-P., Rieppo, L., Cui, L., Lv, Z.-P., & Kordas, K. (2022). Mxene‐polymer hybrid for high‐performance gas sensor prepared by microwave‐assisted in‐situ intercalation. Advanced Materials Technologies, 7(9), 2101565. https://doi.org/10.1002/admt.202101565
Zhou, J., Hosseini Shokouh, S. H., Cui, L., Järvinen, T., Pitkänen, O., Lv, Z.-P., & Kordas, K. (2023). An ultra-sensitive NH3 gas sensor enabled by an ion-in-conjugated polycroconaine/Ti3C2Tx core–shell composite. Nanoscale Horizons. Advance online publication. https://doi.org/10.1039/D2NH00591C
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [34150]