Operando study of surface chemistry in the detection of ethanol by a gas sensor based on 1D nanostructured metal oxides.

Abstract

This thesis is structured around the study of surface chemistry on specially manufactured one- dimensional (1D) nanomaterials, specifically nanorods and nanowires of WO3 and ZnO. The prepared chemiresistors were tested for their ability to detect ethanol and the influence of noble metal doping (Pt and Au) on their sensor properties was studied. The main method of study was near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS), supplemented by resistance measurement and scanning electron microscopy (SEM) for morphological examination. NAP-XPS enabled study of chemical processes happening on the surface of the sensor in real time, while in conditions similar to real world working conditions (e.g. operando conditions). Through this approach, complex information regarding the presence of adsorbents and chemical state of the surface layer at 300 řC and pressure approaching atmospheric were obtained. It was experimentally confirmed that the decoration of WO3 nanowires by Pt improved its ethanol sensing capability greatly. Counter-intuitively, Au decoration caused the sensor to not react in any way to ethanol. Regarding ZnO, pure ZnO nanowires performed excellently as ethanol sensors, performance which deteriorated markedly by doping with either Pt or Au. Through spectral data, the influence of oxygen...

Tato práce se zabývá studiem povrchové chemie speciálně připravených jednorozměrných (1D) nanomateriálů, konkrétně nanotyček a nanodrátů WO3 a ZnO. Připravené chemiresistory byly testovány z hlediska své schopnosti detekovat ethanol a byl zkoumán vliv jejich dekorace vzácnými kovy (Au a Pt) na senzorické vlastnosti. Hlavní metodou studia byla vysokotlaká rentgenová fotoelektronová spektroskopie (NAP-XPS), doplněná měřením změn elektrického odporu a skenovací elektronovou mikroskopií pro charakterizaci morfologie. Metoda NAP- XPS umožnila sledovat chemické procesy probíhající na povrchu senzitivní vrstvy za podmínek simulující reálné provozní podmínky (operando studie). Tímto přístupem byly získány komplexní informace o přítomnosti adsorbátů a o chemickém stavu povrchové vrstvy při teplotě 300 řC a tlaku blízkého atmosférickému, tedy za podmínek přibližujících se těm, při reálnému provozu senzorů. Experimentálně bylo potvrzeno, že dekorace WO3 nanodrátů pomocí Pt několikanásobně zlepšila výkon senzoru při detekci ethanolu. Naproti tomu, Au dekorace způsobila že senzor na ethanol prakticky nijak nereagoval. Co se týče ZnO nanodrátů, nedekorovaný senzor fungoval jako senzor ethanolu mnohem lépe něž senzor dekorovaný Pt či Au. Pomocí spektroskopických měření byl ukázán vliv kyslíkových vakancí na změnu odporu u...