Mecanismul de senzing pentru Sn1-xGdxO(4-x)/2 în raport cu temperatura de operare, umiditatea relativă a aerului şi concentrația de CO2


Project Director: Dr. Adelina STANOIU
Director de Proiect: Dr. Adelina Stanoiu
Tipul proiectului: National
Programul de incadrare al proiectului: Programul 4 - Cercetare fundamentala si de frontiera: Proiecte de Cercetare Exploratorie
Finantare: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii - UEFISCDI
Contractor: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR
Numar contract: PCE 93 / 2022
Status: In progress
Data de inceput: 3 Mai 2022
Data finalizarii: 31 Decembrie 2024
Rezumatul Proiectului CHEMCO2:
Proiectul propune studiul proprietăților senzitive ale Sn1-xGdxO(4-x)/2 preparat prin metode alternative de sinteză chimică. Nivelul de dopaj variază prin utilizarea cantității adecvate de soluție de precursor Gd, cu concentrații nominale cuprinse între 0 și 100 at. %. Pulberile nanostructurate pure și dopate obținute vor fi investigate detaliat privind omogenitatea fazei cristaline, compoziția chimică, distribuția dimensiunii cristalitelor, distribuția spațială relativă a fazelor oxidului component, puritatea materialelor, suprafața specifică și distribuția mărimii porilor, evaluarea cantitativă a concentrației ionilor Gd3+ în probe, determinarea modificărilor induse termic în populația de defecte și starea de oxidare a Gd, identificarea defectelor implicate în mecanismul de senzing. Senzorii obținuți prin depunerea pulberilor pe substrate comerciale vor fi evaluați în condiții de teren asigurate de un Sistem de Mixare a Gazelor complet controlat de calculator. Pe langă temperatura de funcționare, efectul umidității relative și al concentrației de CO2 asupra semnalului de senzor vor fi criterii de selecție ale probelor. Evaluarea selectivității va completa studiul proprietăților de detecţie. Măsurătorile simultane ale rezistenței ȋn CC și ale diferenței de potențial de contact vor evidenţia comportamentul fenomenologic asociat atât curbării de bandă la suprafață, cât și afinităţii electronice, permițând identificarea mecanismului chemo-rezistiv de senzing pentru CO2.
Obiectivul proiectului: identificarea mecanismului de detecţie pentru Sn1-xGdxO(4-x)/2 în raport cu temperatura de operare, umiditatea relativă a aerului și concentrația de CO2.

Etapa 1/2022 – Efecte cantitative şi calitative ale nivelului de dopaj cu Gd.

Activitatea 1.1. Sinteza pulberilor nanostructurate: SnO2, Gd2O3 şi SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd.
A1 – Cercetare fundamentală – INCDFM
Activitatea 1.2. Studii privind morfologia, dimensiunea grăunţelor, structura cristalină, puritatea fazei de cristalinitate precum şi structura porilor prin investigaţi microstructurale ale nanopulberilor obținute: SnO2, Gd2O3 şi SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd.
A1 – Cercetare fundamentală – INCDFM

Rezultate estimate verificabile 
Diseminare prin: două lucrări publicate ȋn reviste cotate ISI cu factor de impact >3, pagină web, raport ştiinţific.
Livrabil 1.1.1. Pulberi de SnO2, Gd2O3 şi SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd obţinute prin co-precipitare şi metoda hidrotermală; Determinarea parametrilor de reţea, a compoziţiei elementale, a formei şi distribuţiei dimensiunii grăunţelor;
Livrabil 1.2.2. Determinarea porozităţii şi suprafeţei specifice induse de nivelul de dopaj cu Gd; Identificarea defectelor paramagnetice şi distribuţia cantitativă a ionilor de Gd3+ ȋn pulberile de SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd.

Etapa 2/2023 – Calea de reacție pentru interacțiunea cu CO2 în condiții reale de funcționare.

Etapa 3/2024 – Mecanismele de transfer de sarcină asociate reacțiilor de suprafață și legătura lor cu modificările                                      de transducție determinate de parametrii macroscopici.

  1. Adelina Stănoiu (fosta Tomescu) a obţinut doctoratul ȋn 2007 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializată ȋn domeniul aplicativ al senzorilor de gaze chemo-rezistivi, cu expertiză tehnologică, experimentală şi fundamentală. U-1700-038M-8092
  2. Cristian Eugen Simion a obţinut doctoratul ȋn 2011 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică ȋn colaborare cu  Uni. Tuebingen - Weimar group. U-1700-030F-9765
  3. Corneliu Ghica - a obţinut doctoratul ȋn 2001 ȋn sistem co-tutorial ȋntre Uni. Louis Pasteur Strasbourg I şi Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializat ȋn caracterizare microstructurală cu ajutorul tehnicilor avansate de microscopie electronică. U-1700-029U-5827
  4. Ioana Dorina Vlaicu - a obţinut doctoratul ȋn 2014 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Chimie. Specializată ȋn sinteza chimică a nano-materialelor. U-1700-037A-2366
  5. Andrei Cristian Kuncser - a obţinut doctoratul ȋn 2017 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializat ȋn caracterizare morfologica şi structurală a materialelor avansate folosind o gama larga de tehnici de microscopie electronica. U-1700-032N-6988
  6. Cătălina Gabriela Mihalcea - a obţinut masteratul ȋn 2018 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică.                          Experienţă: caracterizarea nano-materialelor folosind microscopie convenţională de transmisie, tomografie de electroni şi difracţie de raze X. U-1900-062F-0766
  7. Ionel Florinel Mercioniu - a obţinut doctoratul ȋn Inginerie Electrică ȋn 2011 de la Uni. Politehnica-Bucureşti. Specializat ȋn caracterizare morfologica şi structurală a materialelor. U-1700-039E-8823
  8. Daniela Ghica - a obţinut doctoratul ȋn 2006 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializată ȋn caracterizare microstructurală  a materialelor cu ajutorul tehnicilor de rezonanţă magnetică şi difracţiei de raze X. U-1700-035Y-0481
  9. Mariana Ștefan - a obţinut doctoratul ȋn 2002 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializată ȋn caracterizare prin rezonanţă paramagnetică de electroni şi spectroscopie optică. U-1700-034N-5930
  10. Ion Viorel Dinu - a obţinut doctoratul ȋn 2010 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică. Specializat ȋn teoria corpului solid, transport electronic, regimuri tranzitorii şi stări de ne-echilibru. U-1700-030A-3912
  11. Ovidiu Gabriel Florea - a obţinut masteratul ȋn 2015 de la Uni. Bucureşti-Facultatea de Fizică.  Specializat ȋn metode experimentale de investigare a proprietăţilor senzitive: rezistenţă electrică, potenţial de contact. U-1700-032D-4435

Etapa 1/2022 – Efecte cantitative şi calitative ale nivelului de dopaj cu Gd.

În cazul senzorilor chemorezistivi de gaze, principalele cerinţe sunt sensibilitatea şi selectivitatea cȃt mai bună, alături de o bună stabilitate în timp a parametrilor de material. De aceea, în această etapă am procedat la o selecţie de material pe baza rutei de sinteză, a evaluărilor exhaustive morfo-structurale şi a investigaţiilor preliminare de senzing.

 

Activitatea 1.1. Sinteza pulberilor nanostructurate: SnO2, Gd2O3 şi SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd.

O premiză a oricărui studiu fundamental sau a oricărei aplicaţii comerciale este reproductibilitatea şi controlul fiecarei etape din procesul tehnologic. De aceea, optimizarea sintezei de material în acord cu experimentul şi aplicaţia finală, a fost luată în consideraţie în această etapă. Pulberile de SnO2 pure şi dopate cu Gd, cu formula generală Sn1-xGdxO(4-x)/2 (unde x = 0.01; 0.05; 0.1; 0.2, corespunzător unor concentraţii nominale de 1, 5, 10, 20 at. %), şi de Gd2O3 au fost sintetizate prin două metode alternative, co-precipitare şi hidrotermal.

 

Activitatea 1.2. Studii privind morfologia, dimensiunea grăunţelor, structura cristalină, puritatea fazei de cristalinitate precum şi structura porilor prin investigaţi microstructurale ale nanopulberilor obținute: SnO2, Gd2O3 şi SnO2 dopat cu 1-20 at. % Gd.

Difractia de raze X (XRD) a fost realizată cu difractometrul de raze X Bruker D8 Advance. Analiza Rietveld indică formarea unui nanocompozit de SnO2 - Gd2O3 chiar şi pentru proba de SnO2 dopată cu 5%, având în vedere prezența Gd2O3 ca fază secundară cu o cristalizare slabă. Rezultatele analitice TEM/HRTEM au fost obţinute cu microscoapele electronice prin transmisie de electroni JEOL JEM-2100 şi JEOL ARM 200F, dotate cu detectoare de raze X folosite pentru investigaţii de tip EDS. Rezultatele distribuţiei de nanoparticule, difractograma de electroni şi imaginile HRTEM obţinute la măriri diferite relevă forma nanoparticulelor, uniformitatea dimensiunilor cristalitelor şi evidenţiază planele cristalografice. Hărţile STEM-EDS evidenţiază prezenţa şi modul de distribuire a elementelor constituente, confirmă prezenţa Gd în probă şi uniformitatea distribuirii acestuia. Cele două morfologii ale nanoparticulelor, cvasi-sfere şi beţe, oferă semnale EDS distincte corespunzătoare SnO2 tetragonal şi Gd2O cubic. Suprafeţele specifice medii pentru sistemele SnO2 pur şi pentru sistemele de SnO2 dopate cu 1%, 3%, 5%, 10%, 20%Gd au fost estimate teoretic folosind distribuţiile de dimensiuni obţinute prin TEM. Determinarea proprietăţilor texturale s-a făcut cu metoda BET (Brunauer, Emmett, Teller), folosind instrumentul Micromeritics ASAP 2020, prin măsurarea cantităţii de gaz (N2) adsorbit/desorbit de pe suprafaţa pulberilor în vederea determinării suprafeţei specifice şi porozităţii materialelor indicate de TEM/HRTEM ca fiind poroase. Masurătorile de rezonanţă electronică de spin (RES) au fost făcute în benzile de frecvenţă de microunde X (9.87 GHz) şi Q (34.16 Ghz). Spectrele RES ale tuturor probelor măsurate prezintă semnale caracteristice ionilor Gd3+ localizaţi în poziţii izolate în reţea şi respectiv aglomeraţi. Proprietățile de detecţie a CO2 pentru senzorii obținuți pe baza materialelor studiate, au fost evaluate în condiţii dinamice similare celor din teren. Selecţia preliminară evidenţiază Gd2O3 preparat hidrotermal ale carui nano-beţe prezintă un contrast puternic de difracţie tipic micro-obiectelor cu un singur cristal, spre deosebire de contrastul blând al nano-beţelor de Gd2O3 obtinute prin coprecipitare, slab cristalizate.

 

Membru in comisia de doctorat a Drd. Cătălina G. Mihalcea, asistent de cercetare în Laboratorul 70 - Atomic Structures and Defects in Advanced Materials (LASDAM), INCDFM. Drd. Cătălina G. Mihalcea îşi desfăşoară activitatea în tematica de cercetare a grupului în care este inclusă, a proiectelor CERIC-ERIC şi PN-III-P4-PCE-2021-0384. Tema tezei de doctorat este “Nanostructured materials for gas sensing: correlations between functional, electronic and microstructural properties” şi este realizată sub îndrumarea conducătorului Prof. C. M. Teodorescu, la Școala Doctorală de Fizică, Universitatea din Bucuresti.

Lucrări în reviste cotate ISI:

  1. Corneliu Ghica, Catalina G. Mihalcea, Cristian E. Simion, Ioana D. Vlaicu, Daniela Ghica, Ion V. Dinu, Ovidiu G. Florea, Adelina Stanoiu*, Influence of relative humidity on CO2 interaction mechanism for Gd-doped SnO2 with respect to pure SnO2 and Gd2O3, Sens. Actuators B. Chem. 368, 1 October 2022, 132130, https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132130
  2. Andrei C. Kuncser, Ioana D. Vlaicu, Ion V. Dinu, Cristian E. Simion, Alexandra C. Iacoban, Ovidiu G. Florea, Adelina Stanoiu*, The impact of the synthesis temperature on SnO2 morphology and sensitivity to CO2 under in-field conditions, Materials Letters 325, 15 October 2022, 132855, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132855
  3. Adelina Stanoiu, Corneliu Ghica, Catalina Gabriela Mihalcea, Daniela Ghica and Cristian Eugen Simion*, The Role of the Synthesis Routes on the CO-Sensing Mechanism of NiO-Based Gas Sensors, Chemosensors 10 (11), 9 November 2022, 466, https://doi.org/10.3390/chemosensors10110466

Lucrări prezentate la conferinţe:

  1. Catalina G. Mihalcea*, Corneliu Ghica, Cristian E. Simion, Ioana D. Vlaicu, Daniela Ghica, Ion V. Dinu, Ovidiu G. Florea, Adelina Stanoiu, The structure and morphology of pure SnO2, Gd-doped SnO2 and pure Gd2O3 nanoparticles for applications in chemoresistive gas sensors, oral presentation at the 19th International conference on Advanced Nanomaterials ANM 2022, July 27-29, University of Aveiro, Aveiro – Portugal
  2. Catalina G. Mihalcea*, Corneliu Ghica, Cristian E. Simion, Ioana D. Vlaicu, Daniela Ghica, Ion V. Dinu, Ovidiu G. Florea, Adelina Stanoiu, Structural and morphological properties of Gd-doped SnO2 nanopowders and their role in the gas sensing mechanism, poster session 2 at the 9th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications & 14th Europhysical Conference on Defects in Insulating Materials ICOOPMA-EURODIM 2022, July 3–8, Ghent, Belgium

Lucrări în evaluare la reviste cotate ISI:

  1. Cristian E. Simion, Ioana D. Vlaicu, Alexandra C. Iacoban, Catalina G. Mihalcea, Corneliu Ghica and Adelina Stanoiu*, The influence of the synthesis method on Gd2O3 morpho-structural properties and sensitivity to CO2 under in-field conditions, trimisa pe 16 noiembrie 2022 la Materials Chemistry and Physics, in evaluare din 22 noiembrie 2022.

Metode experimentale de investigare a proprietatilor gaz-senzitive in conditii de teren - facilitati INCDFM

Stand de masura

 


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved