Perspective despre mecanismele de detectie cu senzori de gaze bazati pe oxid de Nichel


Project Director: Dr. Cristian Eugen SIMION
ID-ul Proiectului: PN-III-P4-ID-PCE-2020-0506
Director de Proiect: Dr. Cristian Eugen Simion
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 116 / 2021
Status: In progress
Data de inceput: 4 Ianuarie 2021
Data finalizarii: 31 Decembrie 2023
Rezumatul Proiectului CHEMNIO:

Printre diferitele tipuri de senzori, cei care sunt fabricati din oxizi metalici semiconductori se remarca prin: rezistenta mecanica, sensibilitate selectiva, costuri scazute de fabricatie si functionare in conditii reale de teren (prezenta umiditatii relative, temperatura variabila, prezenta gazelor potential interferente, etc).
Ideea acestui proiect consta in explorarea naturii intrinseci a oxidului de Nichel (NiO) ca material sensibil, impreuna cu rutele de sinteza orientate spre extragerea de informatii despre performantele sale in detectarea diferitelor gaze (CO, CO2, NO2, CH4, NH3, SO2, H2S) adaptat pentru a putea fi operat in conditii reale de teren.
Tema de cercetare propusa, foloseste o viziune interdisciplinara a echipei ce implica domenii precum: chimie-fizica si fizica teoretica.
Noutatile aduse de proiect sunt:
- Relatiile structura-functionalitate vor fi evidentiate prin intelegerea caracteristicilor de detectie si traducere a parametrilor functionali cu senzori pe baza de NiO nanostructurati. Folosind rute chimice diferite, morfologiile NiO vor fi adaptate pentru a maximiza performantele de detectare a gazelor.
- Provocarea consta in imbinarea predictiilor teoretice cu valorile realiste de detectare a gazelor intr-o imagine de coerenta cu privire la natura interactiilor gazelor cu suprafata.
Rezultatele obținute din investigatiile fenomenologice si catalitice vor ghida modelarea teoretica spre extinderea cunostintelor asupra senzorilor pe baza de NiO.

Etapa I / 2021 Materiale gaz-senzitive pe baza de NiO cu proprietati structurale si morfologice specifice.

1.1. Materiale NiO cu morfologie controlata.
1.2. Biblioteca electronica completa cu parametrilor retelei NiO, compoziția elementala, distribuția marimii cristalitelor, volumul si distribuția marimii porilor.
1.3. Diferite loturi de senzori pe baza de NiO insotite de proceduri complet documentate.
1.4. Selectia straturilor gaz-sensibile fara fisuri de suprafata si aglomerari ca rezultat al inspectiei optice.

Etapa II / 2022 Selectia probelor pe baza de NiO pentru desfasurarea activitatilor ulterioare. Abordari teoretice primare. Feedback catre strategiile de preparare.

2.1. Selectia senzorilor in urma evaluarii parametrilor de: sensibilitate, selectivitate, timp de raspuns si timp de revenire precum si a consumului de energie electrica.
2.2. Selectia si separarea materialelor pe baza de NiO dupa natura straturilor (complet sau partial imbogatite in purtatori majoritari de sarcina) in conformitate cu analiza teoretica a proprietatilor gaz-senzitive.

Etapa III / 2023 Modelarea realistica a interactiilor gaz-suprafata prin intermediul investigatiilor complexe.

3.1. Distincția dintre procesele de fizorbtie si ionosorbtie, reprezentate individual pentru senzorii de NiO partial sau complet imbogatiti in purtatori majoritati de sarcina.
3.2 Cuantificarea reacțiilor de suprafața prin utilizarea formalismului ecuatiilor cvasi-chimice
3.3. Modelarea efectelor asociate proceselor de schimb de sarcina prin utilizarea conceptelor de fizica starii solidului (de exemplu, statistici de incărcare cu sarcina, teoria fenomenelor de transport etc.)

Cristian Eugen Simion
Adelina Stanoiu
Cosmin Istrate
Catalina Mihalcea
Ovidiu Gabriel Florea
Corneliu Ghica
Andrei Cristian Kuncser
Ion Viorel Dinu
Daniela Ghica
Ionel Florinel Mercioniu
Simona Somacescu

Etapa I / 2021 Materiale gaz-senzitive pe baza de NiO cu proprietati structurale si morfologice specifice.

Rutele chimice utilizate pentru prepararea pulberilor de oxid de Nichel sunt complet descrise aici:

 

Raportul XRD pentru nanoparticulele de NiO este complet descris aici:

MaterialTemperatura calcinareFaza cristalinaParametru de reteaDemensiune medie de cristalit
NiO-1400°CCubic Fm-3m (225)a = 0.4178 ± 0.0001 nmd = 11 ± 2 nm
NiO-1500°CCubic Fm-3m (225)a = 0.4178 ± 0.0001 nmd = 18 ± 2 nm
NiO-2400°CCubic Fm-3m (225)a = 0.4178 ± 0.0001 nmd = 18 ± 2 nm
NiO-rGO400°CCubic Fm-3m (225)

Hexagonală C-2H (grafit 2H) P63/mmc

aNiO = 0.4177 ± 0.0001 nm

agrafit = 0.2460 ± 0.0001 nm și cgrafit = 0.6707 ± 0.0001 nm

 

 

dNiO = 7 ± 2 nm

dgrafit = 35 ± 4 nm

Analiza morfo-structurala (SEM) a nanoparticulelor de oxid de Nichel este descrisa complet aici:

Analiza morfo-structurala (TEM) a nanoparticulelor de oxid de Nichel este descrisa complet aici:

 

Raport privind analiza suprafeţei specifice BET (Brunauer, Emmett, Teller) este descris aici:

MaterialTemperatura de calcinare (°C)Volumul porilor (cm3/g)Dimeniunea porilor (nm)Suprafata specifica (m2/g)
NiO-1400°C0.17938.8818.473
NiO-1500°C0.16234.1219.075
NiO-2400°C0.16933.1720.486
NiO_rGO400°C0.20838.2221.86

 

Procedura de sistem care cuprinde fabricarea senzorilor pe baza de oxid de Nichel este descrisa complet aici:

Rezultatele obţinute sunt în bună concordanţă cu cele prevăzute în Planul de realizare al Etapei 1.

În concluzie, obiectivele și activitățile propuse pentru Etapa 1/2021 au fost realizate pe deplin.

 

Etapa II / 2022 Selectia probelor pe baza de NiO pentru desfasurarea activitatilor ulterioare. Abordari teoretice primare. Feedback catre strategiile de preparare.

1. A. Stanoiu, A.C. Kuncser, D. Ghica, O.G. Florea, S. Somacescu, C.E. Simion, Sensing Properties of NiO Loaded SnO2 Nanoparticles - Specific Selectivity to H2S, Chemosensors 2021, 9, 125, https://doi.org/10.3390/chemosensors9060125.

2. C.E. Simion, C. Ghica, C.G. Mihalcea, D. Ghica, I. Mercioniu, S. Somacescu, O.G. Florea, A. Stanoiu, Insights about CO Gas-Sensing Mechanism with NiO-Based Gas Sensors-The Influence of Humidity, Chemosensors 2021, 9, 244, https://doi.org/10.3390/chemosensors9090244.

3. A. Sobetkii, R.E. Irimescu, A.E. Slobozeanu, C.F. Ciobota, U. Cindemir, L. Osterlund, A. Stanoiu, C.E. Simion, R.M. Piticescu, Deposition and characterization of thin films based on nanostructured NiO as sensorial element for detection gases, Workshop on "Contemporary Solutions for Advanced Catalytic Materials with a High Impact on Society", 11-15 October 2021, Bucharest, Romania, https://chimie.unibuc.ro/edu/greencam/index.php/workshop-2021.

4. C.E. Simion, Special Issue "Advanced Materials for Gas Sensors" Editorial, Materials 2021, 14, 6765, https://doi.org/10.3390/ma14226765.

5. A. Stanoiu, C. Ghica, C.G. Mihalcea, D. Ghica, S. Somacescu, O.G. Florea, C.E. Simion, Effects of Calcination Temperature on CO-Sensing Mechanism for NiO-Based Gas Sensors, Chemosensors 2022, 10, 191, https://doi.org/10.3390/chemosensors10050191.

6. C. Ghica, C.G. Mihalcea, C.E. Simion, I.D. Vlaicu, D. Ghica, I.V. Dinu, O.G. Florea, A. Stanoiu, Influence of relative humidity on CO2 interaction mechanism for Gd-doped SnO2 with respect to pure SnO2 and Gd2O3, Sens. Actuators B. Chem. 2022, 368, 132130, https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132130.

7. 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, 2022, 325, 132855, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132855.

8. C.E. Simion, O.G. Florea, I. Mercioniu, I.V. Dinu, A. Stanoiu, Gas sensing mechanism involved in NH3 detection with NiO material, International Semiconductor Conference (CAS) 45th Edition, 12-14 October 2022, pg. 109-112.

9. A. Stanoiu, C. Ghica, C.G. Mihalcea, D. Ghica, C.E. Simion, The Role of the Synthesis Routes on the CO-Sensing Mechanism of NiO-Based Gas Sensors, Chemosensors 2022, 10, 466, https://doi.org/10.3390/chemosensors10110466.

 

 

 

 

 

 

Nr. Crt.Nume si prenumee-mailID Brainmap
1GHICA Corneliucghica@infim.roU-1700-029U-5827
2STANOIU Adelinaadelina.stanoiu@infim.roU-1700-038M-8092
3GHICA Danielaghica@infim.roU-1700-035Y-0481
4SIMION Cristian Eugensimion@infim.roU-1700-030F-9765
5KUNCSER Andrei Cristianandrei.kuncser@infim.ro U-1700-032N-6988
6MERCIONIU Ionel Florinelimercioniu@infim.roU-1700-039E-8823
7ISTRATE Marian Cosmincosmin.istrate@infim.ro U-1900-061U-8873
8MIHALCEA Catalinacatalina.mihalcea@infim.ro U-1900-062F-0766
9FLOREA Ovidiuovidiu.florea@infim.ro U-1700-032D-4435
10DINU Ion Viorelvdinu@infim.roU-1700-030A-3912
11SOMACESCU Simonasomacescu.simona@gmail.comU-1700-039T-4737

 


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

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