Розробка газового сенсору аміаку на основі ZnO для аналізу небезпек обєктів критичної інфраструктури

Автор(и)

  • Наталя Вікторівна Мінська Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0001-8438-0618
  • Олег Володимирович Бас Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0002-2401-9457
  • Віктор Михайлович Гвоздь Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0003-0818-7810
  • Олександр Миколайович Григоренко Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0003-4629-1010
  • Олександр Антонович Лєвтєров Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0001-5926-7146
  • Мурат Всеволодович Маляров Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0002-4052-7128
  • Микола Васильович Матюшенко Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0003-4727-8993
  • Сергій Сергійович Тарасов Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0009-0002-1537-6767
  • Роман Анатолійович Черниш Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0002-6245-0707
  • Ольга Сергіївна Шевченко Національний університет цивільного захисту України, Україна https://orcid.org/0000-0003-2106-5009

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.298512

Ключові слова:

ZnO, газовий сенсор, магнітронне розпилення, стандартна температура, аміак

Анотація

Розроблено газовий сенсор на основі ZnO, який демонструє чутливість до  NH3 при стандартних умовах (температура – 25°С, тиск – 101,3 кПа). Експериментальний зразок отриманий методом магнетронного розпилення при постійному струмі. Для одержання плівок ZnO використовували вакуумну установку ВУП-5М з оригінальним матеріалозберігаючим магнітроном. Для аналіза ефективності газового сенсору до аміаку (NH3) за стандартних умов, проводили дослідження його робочих характеристик. Концентрації NH3 для дослідження робочих характеристик була обрана на рівні 25 ppm. Для визначення омічності контактів приладової структури були проведені дослідження вольт-амперних характеристик газового сенсору в діапазоні напруг між −100 і +100 В. За результатом дослідження вольт-амперної характеристики, яка має лінійний характер, підтверджена омічність контактів. Для дослідження чутливості газового сенсору до цільового газу проведено дослідження зміни опору чутливого шару газового сенсору під впливом NH3 з концентрацією 25 ppm за стандартних умов. Отримані результати дослідження продемонстрували високу чутлівість газового сенсору до цільового газу – на рівні 229 відн. од. Дослідження часу реакції та відновлення газового сенсору показало, що газовий сенсор на основі ZnO має час реакції та відновлення 20 і 26 с відповідно. Проведено дослідження селективності газового сенсору на основі ZnO. Дослідження селективності здійснювалось визначенням чутливості газового сенсору в присутності парів різних газів, а саме метанолу, етанолу, ацетону. Результати дослідження показали, що реакція на аміак є вибірковою в порівнянні з реакцією на інші гази. Отримані результи дослідження робочих характеристик газового сенсору аміаку демонструють високу ефективність його використання за стандартних умов та низької концентрації цільового газу

Біографії авторів

Наталя Вікторівна Мінська, Національний університет цивільного захисту України

Доктор технічних наук, доцент

Кафедра спеціальної хімії та хімічної технології

Олег Володимирович Бас, Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України

Кандидат технічних наук

Кафедра організації заходів цивільного захисту

Віктор Михайлович Гвоздь, Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України

Кандидат технічних наук, професор

Олександр Миколайович Григоренко, Національний університет цивільного захисту України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра пожежної і техногенної безпеки об'єктів та технологій

Олександр Антонович Лєвтєров, Національний університет цивільного захисту України

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кафедра управління та організації діяльності у сфері цивільного захисту

Мурат Всеволодович Маляров, Національний університет цивільного захисту України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра автоматичних систем безпеки та інформаційних технологій

Микола Васильович Матюшенко, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра геометричного моделювання та комп’ютерної графіки

Сергій Сергійович Тарасов, Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України

Кандидат наук з державного управління

Кафедра автоматичних систем безпеки та електроустановок

Роман Анатолійович Черниш, Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра спеціальної та фізичної підготовки

Ольга Сергіївна Шевченко, Національний університет цивільного захисту України

Кандидат технічних наук

Відділ адміністративної роботи

Посилання

  1. Sadkovyi, V., Pospelov, B., Andronov, V., Rybka, E., Krainiukov, O., Rud, A. et al. (2020). Construction of a method for detecting arbitrary hazard pollutants in the atmospheric air based on the structural function of the current pollutant concentrations. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (10 (108)), 14–22. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.218714
  2. Kwak, D., Lei, Y., Maric, R. (2019). Ammonia gas sensors: A comprehensive review. Talanta, 204, 713–730. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2019.06.034
  3. Arnone, M., Koppisch, D., Smola, T., Gabriel, S., Verbist, K., Visser, R. (2015). Hazard banding in compliance with the new Globally Harmonised System (GHS) for use in control banding tools. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 73 (1), 287–295. https://doi.org/10.1016/j.yrtph.2015.07.014
  4. Corkery, G., Ward, S., Kenny, C., Hemmingway, P. (2013). Monitoring environmental parameters in poultry production facilities. Computer Aided Process Engineering, CAPE Forum 2013. Graz University of Technology.
  5. Popov, O., Ivaschenko, T., Markina, L., Yatsyshyn, T., Iatsyshyn, A., Lytvynenko, O. (2023). Peculiarities of Specialized Software Tools Used for Consequences Assessment of Accidents at Chemically Hazardous Facilities. Systems, Decision and Control in Energy V, 779–798. https://doi.org/10.1007/978-3-031-35088-7_45
  6. Pospelov, B., Rybka, E., Meleshchenko, R., Krainiukov, O., Biryukov, I., Butenko, T. et al. (2021). Short-term fire forecast based on air state gain recurrence and zero-order brown model. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (10 (111)), 27–33. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.233606
  7. Vambol, S., Vambol, V., Kondratenko, O., Suchikova, Y., Hurenko, O. (2017). Assessment of improvement of ecological safety of power plants by arranging the system of pollutant neutralization. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (10 (87)), 63–73. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.102314
  8. Minska, N., Hvozd, V., Shevchenko, O., Slepuzhnikov, Y., Murasov, R., Khrystych, V. et al. (2023). Devising technological solutions for gas sensors based on zinc oxide for use at critical infrastructure facilities. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (5 (124)), 34–40. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.286546
  9. Miasoiedova, A., Minska, N., Shevchenko, R., Azarenkо, O., Lukashenko, V., Kyrychenko, O. et al. (2023). Improving the manufacturing technology of sensing gas sensors based on zinc oxide by using the method of magnetron sputtering on direct current. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (122)), 31–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.277428
  10. Vambol, S., Bogdanov, I., Vambol, V., Suchikova, Y., Kondratenko, O., Hurenko, O., Onishchenko, S. (2017). Research into regularities of pore formation on the surface of semiconductors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (5 (87)), 37–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.104039
  11. Peeters, R., Berden, G., Apituley, A., Meijer, G. (2000). Open-path trace gas detection of ammonia based on cavity-enhanced absorption spectroscopy. Applied Physics B, 71 (2), 231–236. https://doi.org/10.1007/s003400000302
  12. Liu, X., Cheng, S., Liu, H., Hu, S., Zhang, D., Ning, H. (2012). A Survey on Gas Sensing Technology. Sensors, 12 (7), 9635–9665. https://doi.org/10.3390/s120709635
  13. Xiong, L., Compton, R. G. (2014). Amperometric Gas detection: A Review. International Journal of Electrochemical Science, 9 (12), 7152–7181. https://doi.org/10.1016/s1452-3981(23)10957-6
  14. Huang, J., Wang, J., Gu, C., Yu, K., Meng, F., Liu, J. (2009). A novel highly sensitive gas ionization sensor for ammonia detection. Sensors and Actuators A: Physical, 150 (2), 218–223. https://doi.org/10.1016/j.sna.2009.01.008
  15. Zhao, Y. M., Zhu, Y. Q. (2009). Room temperature ammonia sensing properties of W18O49 nanowires. Sensors and Actuators B: Chemical, 137 (1), 27–31. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.01.004
  16. Wang, G., Ji, Y., Huang, X., Yang, X., Gouma, P.-I., Dudley, M. (2006). Fabrication and Characterization of Polycrystalline WO3 Nanofibers and Their Application for Ammonia Sensing. The Journal of Physical Chemistry B, 110 (47), 23777–23782. https://doi.org/10.1021/jp0635819
  17. Prasad, A. K., Gouma, P. I., Kubinski, D. J., Visser, J. H., Soltis, R. E., Schmitz, P. J. (2003). Reactively sputtered MoO3 films for ammonia sensing. Thin Solid Films, 436 (1), 46–51. https://doi.org/10.1016/s0040-6090(03)00524-8
  18. Tu, Y., Kyle, C., Luo, H., Zhang, D.-W., Das, A., Briscoe, J. et al. (2020). Ammonia Gas Sensor Response of a Vertical Zinc Oxide Nanorod-Gold Junction Diode at Room Temperature. ACS Sensors, 5 (11), 3568–3575. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01769
  19. Seekaew, Y., Pon-On, W., Wongchoosuk, C. (2019). Ultrahigh Selective Room-Temperature Ammonia Gas Sensor Based on Tin–Titanium Dioxide/reduced Graphene/Carbon Nanotube Nanocomposites by the Solvothermal Method. ACS Omega, 4 (16), 16916–16924. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02185
  20. Maity, A., Raychaudhuri, A. K., Ghosh, B. (2019). High sensitivity NH3 gas sensor with electrical readout made on paper with perovskite halide as sensor material. Scientific Reports, 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-019-43961-6
  21. Husain, A. (2021). Electrical conductivity based ammonia, methanol and acetone vapour sensing studies on newly synthesized polythiophene/molybdenum oxide nanocomposite. Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 6 (4), 528–537. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2021.07.002
  22. Seekaew, Y., Lokavee, S., Phokharatkul, D., Wisitsoraat, A., Kerdcharoen, T., Wongchoosuk, C. (2014). Low-cost and flexible printed graphene–PEDOT:PSS gas sensor for ammonia detection. Organic Electronics, 15 (11), 2971–2981. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2014.08.044
  23. Kumar, L., Rawal, I., Kaur, A., Annapoorni, S. (2017). Flexible room temperature ammonia sensor based on polyaniline. Sensors and Actuators B: Chemical, 240, 408–416. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.08.173
  24. Zhao, S., Shen, Y., Yan, X., Zhou, P., Yin, Y., Lu, R. et al. (2019). Complex-surfactant-assisted hydrothermal synthesis of one-dimensional ZnO nanorods for high-performance ethanol gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 286, 501–511. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.01.127
  25. Xuan, J., Zhao, G., Sun, M., Jia, F., Wang, X., Zhou, T. et al. (2020). Low-temperature operating ZnO-based NO2 sensors: a review. RSC Advances, 10 (65), 39786–39807. https://doi.org/10.1039/d0ra07328h
  26. Danchenko, Y., Andronov, V., Barabash, E., Obigenko, T., Rybka, E., Meleshchenko, R., Romin, A. (2017). Research of the intramolecular interactions and structure in epoxyamine composites with dispersed oxides. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (12 (90)), 4–12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.118565
  27. Deyneko, N., Kovalev, P., Semkiv, O., Khmyrov, I., Shevchenko, R. (2019). Development of a technique for restoring the efficiency of film ITO/CdS/CdTe/Cu/Au SCs after degradation. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (97)), 6–12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.156565
  28. Deyneko, N., Kryvulkin, I., Matiushenko, M., Tarasenko, O., Khmyrov, I., Khmyrova, A., Shevchenko, R. (2019). Investigation of photoelectric converters with a base cadmium telluride layer with a decrease in its thickness for tandem and two-sided sensitive instrument structures. EUREKA: Physics and Engineering, 5, 73–80. https://doi.org/10.21303/2461-4262.2019.001002
Розробка газового сенсору аміаку на основі ZnO для аналізу небезпек обєктів критичної інфраструктури

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-02-28

Як цитувати

Мінська, Н. В., Бас, О. В., Гвоздь, В. М., Григоренко, О. М., Лєвтєров, О. А., Маляров, М. В., Матюшенко, М. В., Тарасов, С. С., Черниш, Р. А., & Шевченко, О. С. (2024). Розробка газового сенсору аміаку на основі ZnO для аналізу небезпек обєктів критичної інфраструктури. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5 (127), 41–47. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.298512

Номер

Том 1 № 5 (127) (2024): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Natalia Minska, Oleh Bas, Viktor Hvozd, Oleksandr Hryhorenko, Alexander Levterov, Murat Maliarov, Mykola Matiushenko, Serhii Tarasov, Roman Chernysh, Olga Shevchenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.