توصيفگر ها :
همرسوبي , ZnMn₂O₄ , مورفولوژي , حسگر گاز هيدروژن
چكيده فارسي :
هيدروژن بهعنوان يكي از سوختهاي پاك آينده بهدليل ويژگيهايي مانند چگالي انرژي بالا، سازگاري با محيطزيست و كاربرد در فناوريهاي نوين انرژي نظير سلولهاي سوختي مورد توجه قرارگرفته است. با اين حال، ويژگيهاي انفجاري و محدوده اشتعالپذيري گسترده اين گاز، لزوم پايش دقيق و سريع آن را اجتنابناپذير ميسازد. از اين رو، توسعه حسگرهاي كارآمد، پايدار و گزينشپذير براي شناسايي و اندازهگيري هيدروژن در شرايط مختلف عملياتي از اهميت بالايي برخوردار است. منگنايت روي (ZnMn₂O₄)بهدليل ويژگيهاي ساختاري، شيميايي و فيزيكي ويژهاش، كاربردهاي گستردهاي در صنايع مختلف از جمله پوششهاي ضدخوردگي، ابرخازنها، ترميستورها و الكترودهاي باتريهاي ليتيوم-يون دارد. اين ماده همچنين بهعنوان حسگر گاز مورد بررسي قرار گرفته است. در اين پژوهش، نانوذرات ZnMn₂O₄ به روش همرسوبي در دو دماي پخت 500 و 800 درجه سانتيگراد ساخته و با استفاده از آناليزهايXRD، FESEM، UV-Vis،BET و EDX مشخصهيابي شدند. هدف اصلي مطالعه، بررسي تأثير دما و مورفولوژي بر خواص حسگري اين ماده بود. نتايج نشان داد كه نمونه توليد شده در دماي 500 درجه سانتيگراد عملكرد حسگري بهتري نسبت به نمونه 800 درجه سانتيگراد دارد. زمان پاسخ و بازيابي براي نمونه 500 درجه بهترتيب 207 و 46/1 ثانيه و براي نمونه 800 درجه بهترتيب 201 و 12/26 ثانيه ثبت شد. دماي بهينه حسگري براي هر دو نمونه 300 درجه سانتيگراد تعيين گرديد و حداقل حد تشخيص براي نمونه بهينه برابر با 125/0 درصد محاسبه شد. نمونه ساخته شده در دماي 500 درجه سانتيگراد تغيير نوع رسانايي از n به p را نشان داد. اين تغيير رفتار به شرح زير بررسي شد:
در دماهاي پايينتر از 200 درجه سانتيگراد، جاهاي خالي اكسيژن بهعنوان مراكز تلهگيري حاملان بار عمل ميكنند و انرژي كافي براي رهاسازي حاملها از اين مراكز وجود ندارد، كه منجر به كاهش غلظت حفرهها و تقويت رفتار نوع n ميشود.
در دماهاي بالاتر (250-325 درجه سانتيگراد)، جذب و واكنشهاي سطحي اكسيژن غالب ميشوند. جذب اكسيژن روي سطح ZnMn₂O₄ و واكنش آن با ماده باعث توليد حفرههاي مثبت شده كه هدايت نوع p را تقويت ميكند.
افزودن محلول كلريد پالاديوم (1 تا 3 قطره) به نمونه ساخته شده در دماي 800 نيز موجب افزايش پاسخ حسگري شد، اما پايداري نمونه با 2 قطره كاهش يافت. پاسخ نمونهها به گاز هيدروژن (447/14%) در مقايسه با گازهاي نيتروژن دياكسيد، متان و دياكسيد كربن (كمتر از 2%) بالاتر بود، كه نشاندهنده گزينشپذيري مطلوب اين ماده است. اين يافتهها ZnMn₂O₄ را بهعنوان مادهاي كارآمد و پايدار براي حسگري هيدروژن در دماهاي عملياتي متوسط معرفي ميكند.
چكيده انگليسي :
Hydrogen is considered as one of the clean fuels of the future due to its features such as high energy density, compatibility with the environment and application in new energy technologies such as fuel cells. However, the explosive characteristics and wide range of flammability of this gas make the necessity of accurate and quick monitoring inevitable. Therefore, the development of efficient, stable and selective sensors for hydrogen detection and measurement in different operating conditions is of great importance. Due to its special structural, chemical and physical properties, zinc manganite (ZnMn₂O₄) has wide applications in various industries, including anti-corrosion coatings, supercapacitors, thermistors and electrodes of lithium-ion batteries. This material has also been investigated as a gas sensor. In this research, ZnMn₂O₄ nanoparticles were synthesized by co-precipitation method at two firing temperatures of 500 and 800 degrees Celsius and characterized by using XRD, FESEM, UV-Vis, BET and EDX analyses. The main aim of the study was to investigate the effect of temperature and morphology on the sensing properties of this material.
The results showed that the sample produced at 500°C has a better sensing performance than the sample at 800°C. The response and recovery times for the 500°C sample were recorded as 1.46 and 207 seconds, and for the 800°C sample as 201 and 26.12 seconds respectively. The optimal sensing temperature for both samples was determined to be 300°C and the minimum detection limit for the optimal sample was calculated as 0/125%. The sample synthesized at a temperature of 500°C showed a change in conductivity type from n to p. This behavior change was investigated as follows:
At temperatures lower than 200 °C, oxygen vacancies act as charge carrier trapping centers and there is not enough energy to release carriers from these centers, which leads to a decrease in the hole concentration and an enhancement of the n-type behavior. At higher temperatures (250-325°C), oxygen adsorption and surface reactions dominate. The absorption of oxygen on the surface of ZnMn₂O₄ and its reaction with the material causes the production of positive holes that strengthen the p-type conductivity.
Adding palladium chloride solution (1 to 3 drops) to the synthesized sample at 800 °C also increased the sensing response, but the stability of the sample decreased with 2 drops. The response of the samples to hydrogen gas (14.447%) was higher compared to nitrogen dioxide, methane and carbon dioxide gases (less than 2%) , which indicates the favorable selectivity of this substance.
These findings introduce ZnMn₂O₄ as an efficient and stable material for hydrogen sensing at moderate operating temperatures.
