Vairākslāņu grafēna un nitrocelulozes kompozīta elektroda iegūšana un izpēte slāpekļa savienojumu noteikšanā

Abstract

Slāpekļa savienojumi, jo īpaši NOx, tiek uzskatīti par vieniem no cilvēka veselībai bīstamākajiem savienojumiem gaisa piesārņojumā. Palielinoties fosilā kurināmā dedzināšanas apjomam gan iekšdedzes dzinējos, gan kurtuvēs, paaugstinās arī tā degšanas blakusproduktu daudzums it īpaši pilsētās ar lieliem transporta sastrēgumiem, kas negatīvi ietekmē pilsētnieku veselību, nerunājot par dzīvniekiem un augiem. Lai spētu precīzāk ierobežot kaitīgo savienojumu daudzuma izvadīšanu atmosfērā, rodas nepieciešamība pēc jutīgiem šo savienojumu gāzu sensoriem. Potenciāls materiāls gāzu noteikšanā ir grafēns kā divdimensionāls materiāls, piemērotākais gāzu sensoru pielietojumos lielā virsmas laukuma dēļ. Šajā darbā izpētīta pašu iegūta vairākslāņu grafēna – nitrocelulozes kompozīta pārklājuma spēja reaģēt uz slāpekļa savienojumiem: NO; NO2; NH3, kā atbildes reakciju reģistrējot kompozīta elektrisko pretestību, un secināts, ka materiāls spēj veiksmīgi noteikt NO gāzi jau pie 77 ppm lielas vielas daudzuma koncentrācijas gaisā. Konstatēts, ka izveidotais kompozīta pārklājums ir p-tipa pusvadītājs, kura vairākuma lādiņnesēji ir caurumi. Materiāla elektriskā pretestība paaugstinās NH3 iedarbībā un samazinās NO, NO2 iedarbībā kas saskan ar literatūrā minētajiem grafēna gāzu molekulu jutības mehānismiem grafēnam ar p-tipa vadītspēju. Secināts arī, ka mērījumu selektivitāti ietekmē šķīdinātāji, kas šķīdina polimēru: acetons, metanols, acetonitrils.

Nitrogen compounds, especially NOx, are one of the most dangerous air pollutants. As the burning of fossil fuels in internal combustion engines and furnaces increases the amount of side products also increases in particularly in cities with high traffic congestions. This pollution negatively affects the health of inhabitants, not to mention animals and plants. Necessity for sensitive gas sensors increases to successfully limit these emissions more precisely. A potential material for gas detection is graphene as a two-dimensional material that has an enormous surface area. In present work the ability of self-made few layer graphene – nitrocellulose composite to detect nitrogen compounds (NO, NO2, NH3) is reported. As the response to target gases electric resistivity is measured. It has been concluded that the composite film is able to detect NO gas at concentration as low as 77 ppm by amount of substance in air. The composite film is a p-type semiconductor with electron holes as the main charge carrier. It has also been measured that the resistivity of composite film increases in presence of NH3 and decreases in presence of NO and NO2. These observations are in agreement with literature describing p-type graphene. Notable that the selectivity in measurements of gases can be affected by vapours of solvents that can dissolve nitrocellulose (acetone, methanol, acetonitrile).