Synthesis and gas sensing properties of single crystalline metal-oxide nanostructures

Abstract

A la present tesis doctoral, s'han produït diferents tipus de nanoestructures basades en òxids metàl·lics, com per exemple nanofils de ZnO i octaedros d'In2O3, utilitzant el mètode de Deposició Química de Vapor (CVD) a altes temperatures. Per a la detecció d'òxid de nitrogen, s'ha descobert que la resposta dels nanofils d'ZnO està directament relacionada amb la quantitat de defectes presents en el material. Com més gran es el nombre de defectes, major és la resposta al diòxid de nitrogen. Tanmateix, per a la detecció d'etanol, la mostra que contenia un nombre mig de defectes, va ser la que dóna millors resultats. Pel que fa als octaedres de In2O3, podem dir que els octaedres d'In2O3 pur són excel·lents candidats per a la detecció de NO2, ja que tenen una excel·lent sensibilitat (0.43 ppb-1) a baixes temperatures (130ºC), mentres que la resposta a altres gasos com H2 és dos ordres de magnituds inferior en les mateixes condicions. A més a més, en presencia d'humitat, s'incrementa la sensibilitat a NO2 i, a la vegada, es redueix la sensibilitat a H2, pel que la selectivitat a NO2 també es veu incrementada. Finalment, utilitzant l'espectroscopia DRIFT, s'ha analitzat l'In2O3 expost a 1 ppm de NO2 a diferents temperatures i s'ha descobert que el mecanisme proposat per a descriure el procés de sensat es bastant més complicat del que s'ha reportat fins ara. Com a resultat de tots aquests experiments, s'ha donat un pas edanvant en l'explicació dels mecanismes de sensat dels nanofils d'ZnO i els octaedres de In2O3 a diferents temperatures.

En la presente tesis doctoral, se han producido diferentes tipos de nanoestructuras basadas en oxidos metalicos, como por ejemplo nanohilos de ZnO y ocaedros de In2O3, utilizando el método de Deposición Química de Vapor (CVD) a altas temperaturas. Para la detección de dióxido de nitrógeno, se ha descubierto que la respuesta de los nanohilos de ZnO está directamente correlacionada con la cantidad total de defectos presentes en el material. Cuanto mayor es el número de defectos, mayor es la respuesta al dióxido de nitrógeno. Sin embargo, para la detección de etanol, la muestra que contenía un número medio de defectos fue la que dio mejores resultados. Por lo que respecta a los octaedros de In2O3, podemos decir que los octaedros de In2O3 puro son excelentes candidatos para la detección de NO2, ya que poseen una excelente sensibilidad (0.43 ppb-1) a bajas temperaturas (130ºC), mientras que la respuesta a otros gases como H2 es dos órdenes de magnitud inferior en las mismas condiciones. Además, en presencia de humedad, se incrementa la sensibilidad a NO2 y, a la vez, se reduce la sensibilidad a H2, por lo que la selectividad hacia NO2 tambien se ve incrementada. Finalmente, utilizando la espectroscopia DRIFT, se ha analizado el In2O3 expuesto a 1 ppm de NO2 a diferentes temperaturas y se ha descubierto que el mecanismo propuesto para describir el proceso de senado es bastante más complicado que lo que se ha publicado hasta ahora. Como resultado de todos estos experimentos, se ha arrojado luz nueva sobre los mecanismos de sensado de los nanohilos de ZnO y los octahedros de In2O3 a diferentes temperaturas.

In the present doctoral thesis, several metal oxide nanostructures such as ZnO nanowires and In2O3 octahedra via a chemical vapour deposition (CVD) method at high temperatures. For the detection of nitrogen dioxide, it was found that the response of ZnO nanowires was directly correlated to the overall amount of defects of the material. The higher the number of defects is, the higher the response to nitrogen dioxide is. On the other hand, for the detection of ethanol, ZnO nanowires with an intermediate number of defects in which surface defects were dominant led to the best results. Additionally, regarding the In2O3 octahedra, we can say that pure In2O3 octahedra are excellent for detecting NO2 gas with an outstanding sensitivity (0.43 ppb-1) at low temperatures (130ºC), while the response to H2 remains two orders of magnitude lower under the same conditions. In addition, the presence of humidity increases the sensitivity to NO2 and, at the same time, reduces the response to H2, which results in an increased selectivity. Finally, by making use of the DRIFT spectroscopy, we have analyzed In2O3 material towards 1 ppm of NO2 at different temperatures and, it has been found that the mechanism proposed for the gas sensing is far more complicated than previously reported. As a result of these experiments, new light on the sensing mechanism of ZnO and In2O3 material towards NO2 gas at different temperatures has been shed.