Mechanochemical synthesis and characterization of titanium(IV) oxide and cerium(IV) oxide composites for the fabrication of oxygen sensors

[Ј. Стевановић ]

100 стр.

Физичка хемија - Физичка хемија материјала / Physical chemistry - Physical chemistry of materials

Циљ тезе био је синтеза TiO2-CeO2 слојева осетљивих на кисеоник путем високоенергетског млевења и процена применљивости ове методе у области развоја сензорских уређаја. Високоенергетско млевење, врста механохемијске синтезе, је усклађена са принципима зелене хемије, што подразумева смањену употребу токсичних растварача и отпадних материја. Због синергијских ефеката на оксид-оксид граници, мешани оксиди имају боље каталитичке особине, хемијску и термалну стабилност и склоност ка формирању кисеоничних ваканција, активних места за хемисорпцију кисеоника, у односу на чисте оксиде. Испитиван је утицај времена трајања и брзине ротације на структурна и морфолошка својства добијених материјала разним методама карактеризације. На основу XRD анализе и раманске спектроскопије, установљено је да TiO2-CeO2 представљају мешавине два оксида, са изузетком узорка чији је прекурсор млевен при највећој брзини (550 rpm), у коме је детектован чврсти раствор. Рендгенском фотоелектронском спектроскопијом показано је да одређени TiO2-CeO2 слојеви садрже повећану концентрацију кисеоничних вакацнија у односу на чисте оксиде. У областима ниских концентрација кисеоника, мешани оксиди показују већу осетљивост у односу на референте оксиде. Oсим ваканцијама, ово се може приписати хемијском саставу површине, односно присутним контаминантима. Наиме, на површини узорка млевеног при највећој брзини ротације, пронађена је мања концентрација ваканција у односу на остале узорке и детектована је органска фаза са C-O групама. Електрична мерења сензора заснованог на TiO2-CeO2 слојевима спроведена су на 310 °C, што је температура значајно нижа од типичних потребних за рад сензора заснованих на слојевима чистих оксида. Притом је отпорност једносмерној струји мешаних оксида на датој температури мања од 100 MΩ, што олакшава праћење одзива сензора доступним инструмената.

The aim of the thesis was to synthesize oxygen-sensitive TiO2-CeO2 layers by high-energy milling and to assess the applicability of this method in the field of sensor device development. High-energy milling, a type of mechanochemical synthesis, is aligned with the principles of green chemistry, which implies a reduced use of toxic solvents and waste materials. Due to synergistic effects at the oxide-oxide interface, mixed oxides have better catalytic properties, chemical and thermal stability and a tendency to form oxygen vacancies, active sites for oxygen chemisorption, compared to pure oxides. The influence of the duration time and rotation speed on the structural and morphological properties of the obtained materials was investigated by various characterization methods. Based on XRD analysis and Raman spectroscopy, it was found that TiO2-CeO2 represent mixtures of two oxides, with the exception of the sample whose precursor was milled at the highest speed (550 rpm), in which a solid solution was detected. X-ray photoelectron spectroscopy showed that certain TiO2-CeO2 layers contain an increased concentration of oxygen vacancies compared to pure oxides. In areas of low oxygen concentrations, mixed oxides show greater sensitivity compared to reference oxides. Apart from vacancies, this can be attributed to the chemical composition of the surface, i.e. the contaminants present. Namely, on the surface of the sample milled at the highest rotation speed, a lower concentration of vacancies was found compared to other samples and an organic phase with C-O groups was detected. Electrical measurements of the sensor based on TiO2-CeO2 layers were carried out at 310 °C, which is a temperature significantly lower than the typical temperature required for sensors based on pure oxide layers. Moreover, the DC resistance of mixed oxides at a given temperature is less than 100 MΩ, which makes it easier to monitor the sensor response with available instruments.

високоенергетско млевење, мешани оксиди, сензор кисеоника засновани на полупроводничким слојевима, рендгенска фотоелектронска спектроскопија

high-energy milling, mixed oxides, oxygen sensor based on semiconductor layers, X-ray photoelectron spectroscopy

544.2:546(043.3)

Tekst