Co3O4/Al-ZnO Nano-composites: Gas Sensing Properties

Abstract

In this paper, the gas sensing properties of metal oxide nano-powder composites are studied and modeled. The gas sensing properties of mixtures of two different metal oxide nanoparticles, prepared via low-cost routes, are investigated. The responses to both an oxidizing (NO2) and a reducing gas (CO) are analyzed. The tested composites are obtained by mixing a different percentage of a p-type metal oxide, Co3O4, with moderate responses to NO2 at about 200 °C and to CO at high temperature (above 260 °C), with n-type Al-doped ZnO, which is characterized by a large but unstable response towards NO2 around 160 °C and a moderate response towards CO around 200 °C. In the oxides mixtures, p-n heterojunctions are formed by the juxtaposition of an n-type and a p-type grain in contact. Consequently, the electronic conductivity is modified and the obtained composite materials show novel characteristics with respect to the base materials. This indicates that predicting the behavior of the composites from those of their components is not possible and it suggests that the hetero-junction behavior has to be studied to understand the sensing properties of the composite materials. The obtained results indicate that the composites containing a significant amount of hetero-junctions exhibit a stable response to NO2 at room temperature and significant responses towards CO at 160 °C.

Modeling the Conductivity Response to NO2 Gas of Films Based on MWCNT Networks

“…The sensing films, based on MWCNT networks and used to test the applicability of the proposed model, were deposited on an alumina substrate equipped with screen-printed silver electrodes and a platinum resistive temperature sensor (Pt-RTD) (as described in [ 28 , 36 ]). A heater was realized on the back side of the substrate with the same technique.…”

Metal Oxide Nanostructure-Based Gas Sensor for Carbon Dioxide Detection

“…Chemisorption and reaction on semiconducting metal oxide surface lead to a change in concentration of charge carriers on the surface layer of the semiconductor. The transformation of the chemical signal (charge carrier concentration change on the surface) into integral conductivity of the sensing material is provided by transport of charge carriers [29]- [31]. The microstructure of the sensitive layer (particle size, existence and size of intracrystalline bridges, diameter and value of the pores, unit surface area) affects both processes on the surface and transport of charge carriers.…”

Синтез гетерогенных наноструктур ZnO/Co-=SUB=-3-=/SUB=-O-=SUB=-4-=/SUB=- методом химического осаждения из растворов

“…Предложен ряд механизмов чувствительности Co 3 O 4 к различным газам [7,8]. Гетерогенные наноструктуры на основе Co 3 O 4 и различных полупроводников как p-типа проводимости [6], так и n-типа, таких как ZnO [9][10][11][12][13][14], имеют улучшенные характеристики по газочувствительности и селективности. Созданы газовые детекторы этанола [9] с рабочей температурой 200 • С формальдегида [10] в диапазоне температур 160−360 • С. В [11] описан датчик на CO и NO 2 с работой при 150 • С и выше.…”

“…Гетерогенные наноструктуры на основе Co 3 O 4 и различных полупроводников как p-типа проводимости [6], так и n-типа, таких как ZnO [9][10][11][12][13][14], имеют улучшенные характеристики по газочувствительности и селективности. Созданы газовые детекторы этанола [9] с рабочей температурой 200 • С формальдегида [10] в диапазоне температур 160−360 • С. В [11] описан датчик на CO и NO 2 с работой при 150 • С и выше. Датчик из Co 3 O 4 /ZnO [12] продемонстрировал чувствительность к ацетону, этанолу и оксиду азота на уровне 100, 500 и 5 ppm соответственно при работе выше 100 • С. Созданные на основе системы Co 3 O 4 /ZnO сенсоры в виде наноструктурированных пленок [13] либо полых наночастиц [14] проявляют более высокую чувствительность, чем из оксида кобальта.…”

“…Датчик из Co 3 O 4 /ZnO [12] продемонстрировал чувствительность к ацетону, этанолу и оксиду азота на уровне 100, 500 и 5 ppm соответственно при работе выше 100 • С. Созданные на основе системы Co 3 O 4 /ZnO сенсоры в виде наноструктурированных пленок [13] либо полых наночастиц [14] проявляют более высокую чувствительность, чем из оксида кобальта. Во многих работах [10][11][12][13][14] отмечается, что в смесях оксидов ZnO и Co 3 O 4 из-за присутствия частиц n-типа и p-типа проводимости образуются p−n-гетеропереходы, в результате электронная проводимость материала существенно модифицируется, поэтому полученные композитные материалы демонстрируют новые сенсорные характеристики.…”