IMPROVED SELECTIVITY AND SENSITIVITY OF ENVIRONMENTAL SENSORS FOR TOXIC GASES BY USING 1D Ru-FUNCTIONALIZED MoO3 NANORIBBONS

Abstract

Molybdenum trioxide (MoO3) nanoparticle was assembled from smaller to larger units through thermal reaction via the hydrothermal method, which was operated at 120°C and 200°C for 18 hrs. Ruthenium (Ru) particle was used for improving physical properties, i.e., especially increased surface areas, which enhanced the detection of molecular gas. Sodium molybdate and ruthenium (III) acetylacetonate were used as a precursor. The sensing film preparation of unloaded MoO3 and 0.25, 0.50 and 1.00 wt% Ru loaded MoO3 (Ru-MoO3) were coated onto Au electrode by spin coating technique. The phase and crystallinity of MoO3 and Ru-MoO3 were characterized by X-ray diffractometry (XRD). The morphologies of all MoO3 were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). The elemental compositions were characterized by energy dispersive x-ray spectrometry (EDS). The results of SEM and HR-TEM showed that MoO3 which were synthesized at 120°C has nanoflake shape, the average size about 100 to 300 nm. At 200°C showed as nanoribbon shape with widths from 50 to 250 nm and lengths >300 µm. The sensing film has thickness approximate 10 to 11 µm. Molybdenum, oxygen and ruthenium species in MoO3 NRBs and Ru-MoO3 NRBs were identified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The obtained results showed high-resolution spectra in the Mo, O and Ru peaks. The influence on a dynamic range of Ru concentration on toxic gases response of film sensor was studied at the operating temperatures ranging from 250 to 350°C. It was found that 0.50 wt% Ru-MoO3 NFs sensor showed the highest response to H2S (10 ppm) approximate 30.61. Rising from 1.32 of unloaded MoO3 NFs and 0.50 wt% Ru-MoO3 NRBs sensor showed the highest response to ethanol vapor (2000 ppm) approximate 142 which rising from 22 of unloaded MoO3. Film sensor showed rapid response time and good selectivity. Regarding this result the Ru particle was able to enhance the sensing toxic gas of MoO3 film sensor. The gas sensing mechanism of the sensors was also discussed in the function of gas/surface interaction processes as well as different detection mechanisms were proposed for the MoO3 and Ru-MoO3.

โมลิบดีนัมไตรออกไซด์ ถูกสังเคราะห์ขึ้นจากหน่วยเล็กไปยังหน่วยใหญ่ผ่านปฏิกิริยาความร้อนด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล ที่อุณหภูมิ 120 และ 200 องศาเซลเซียส 18 ชั่วโมง อนุภาครูติเนียมถูกนำมาใช้สำหรับการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเพิ่มพื้นที่ผิวซึ่งมีผลทำให้การตรวจจับโมเลกุลแก๊สเพิ่มขึ้น โซเดียมโมลิบเดต และรูติเนียมอะซิทิวอะซิโทเนตถูกนำมาใช้เป็นสารตั้งต้น การเตรียมฟิล์มเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์ และโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียม ปริมาณ 0.25, 0.50 และ 1.00 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักรูติเนียม ถูกเคลือบลงบนขั้วไฟฟ้าทองโดยเทคนิคการเคลือบแบบหมุนเหวี่ยง เฟสและความเป็นผลึกของโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ และโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียม ได้รับวิเคราะห์โดยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ศึกษารูปร่างลักษณะของโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ทั้งหมดด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง ใช้เทคนิคการวัดการกระจายพลังงานของรังสีเอกซ์วิเคราะห์ลักษณะเฉพาะทางองค์ประกอบของธาตุ ผลการวิเคราะห์จากเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดและเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง พบว่าโมลิบดีนัมไตรออกไซด์สังเคราะห์ที่อุณหภูมิ 120 องศาเซลเซียส มีรูปร่างเป็นเม็ดนาโนเฟลค ขนาดเฉลี่ย 100 ถึง 300 นาโนเมตร และที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส มีรูปร่างเป็นริบบิ้นหนึ่งมิติที่มีความกว้างตั้งแต่ 50 นาโนเมตร ถึง 250 นาโนเมตร มีความยาวมากกว่า 300 ไมโครเมตร และฟิล์มเซ็นเซอร์ที่เตรียมได้มีความหนาประมาณ 10 ถึง 11 ไมโครเมตร ชนิดของโมลิบดีนัม ออกซิเจน และรูติเนียม ในโมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนริบบิ้น และโมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนริบบิ้นที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียมได้รับการระบุโดยเทคนิคเอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี ผลที่ได้จากการวิเคราะห์ พบสเปกตรัมความละเอียดสูงของพีคโมลิบดีนัม ออกซิเจน และรูติเนียม ศึกษาอิทธิพลความเข้มข้นของรูติเนียมในช่วงกว้างต่อค่าการตอบสนองต่อแก๊สพิษของฟิล์มเซ็นเซอร์ อุณหภูมิการดำเนินการตั้งแต่ 250 ถึง 350 องศาเซลเซียส ผลการวิจัยพบว่าเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนเฟลคที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียม ปริมาณ 0.50 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักรูติเนียม แสดงให้เห็นถึงค่าการตอบสนองสูงสุดต่อแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ (10 พีพีเอ็ม) ประมาณ 30.61 ซึ่งเพิ่มขึ้นจาก 1.32 ของเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนเฟลค และเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนริบบิ้นที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียม ปริมาณ 0.50 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักรูติเนียม ตอบสนองสูงสุดกับไอเอทานอล (2000 พีพีเอ็ม) ประมาณ 142 ซึ่งเพิ่มขึ้นจาก 22 ของเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์นาโนริบบิ้น เช่นเดียวกับเวลาตอบสนองอย่างรวดเร็วและการเลือกจำเพาะที่ดี สามารถกล่าวโดยการอนุมานได้ว่า อนุภาครูติเนียมมีผลช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับแก๊สพิษของเซ็นเซอร์โมลิบดีนัมไตรออกไซด์ กลไกการตรวจจับแก๊สของเซ็นเซอร์จะกล่าวถึงในแง่การทำงานของกระบวนการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแก๊สกับพื้นผิวและกลไกการตรวจสอบที่แตกต่างกัน สำหรับโมลิบดีนัมไตรออกไซด์และโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ที่ปรับปรุงด้วยรูติเนียม