1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 6, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 6, стр. 333-341

Влияние состава материала рабочего электрода на основе Pt/SnO2(Sb) на свойства сенсоров на водород и монооксид углерода

Л. В. Шмыглева a, *, А. В. Старков b, Л. С. Леонова a

a ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН
Черноголовка, Россия

b Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия

* E-mail: shmygleval@mail.ru

Поступила в редакцию 27.09.2022
После доработки 08.11.2022
Принята к публикации 22.12.2022

Аннотация

Исследовано влияние содержания платины (3–10 мас. %) в материале рабочего электрода на основе Pt/SnO2(Sb) на свойства (чувствительность, быстродействие, времена восстановления) твердотельных потенциометрических газовых сенсоров на водород и монооксид углерода, в том числе при их одновременном присутствии в воздухе. Наилучшие характеристики показали сенсоры с 5% Pt: эффективность определения монооксида углерода в пределах концентраций от 0.01 до 1 об. %; отсутствие влияния наличия водорода в смеси CO + воздух в концентрациях, сравнимых с концентрациями исследуемого газа; наименьшие времена релаксации (~30 с при 1% CO).

Ключевые слова: потенциометрические газовые сенсоры, водородные сенсоры, CO-сенсоры, платинированный оксид олова, гетерополисоединения, каликсарены

Список литературы

  1. Park, C.O., Fergus, J.W., Miura, N., Park, J., and Choi, A., Solid-state electrochemical gas sensors, Ionics, 2009, vol. 15, p. 261.

  2. Укше, E., Леонова Л. Потенциометрический водородный сенсор с протонным твердым электролитом. Электрохимия. 1992. Т. 28. С. 1427. [Ukshe, E. and Leonova, L., Potentiometric hydrogen sensors with proton conducting solid electrolytes, Sov. Electrochem., 1992, vol. 28, p. 1166.]

  3. Левченко, А.В., Укше А.Е., Федотова, А.А. Кинетика процессов на границе H3PW12O40/Pt, H2 в зависимости от содержания платины на электроде. Электрохимия. 2011. Т. 47. С. 776. [Levchenko, A. V., Ukshe, A.E., and Fedotova, A.A., Kinetics of processes occurring at a H3PW12O40/Pt, H2 interface depending on the platinum content on the electrode, Russ. J. Electrochem., 2011, vol. 47, p. 726.]

  4. Goto, T., Hyodo, T., Ueda, T., Kamada, K., Kaneyasu, K., and Shimizu, Y., CO-sensing Properties of potentiometric gas sensors using an anion-conducting polymer electrolyte and au-loaded metal oxide electrodes, Electrochim. Acta, 2015, vol. 166, p. 232.

  5. Hyodo, T., Goto, T., Ueda, T., Kaneyasu, K., and Shimizu, Y., Potentiometric carbon monoxide sensors using an anion-conducting polymer electrolyte and Au-loaded SnO2 electrodes, J. Electrochem. Soc., 2016, vol. 163, p. B300.

  6. Hyodo, T., Takamori, M., Goto, T., Ueda, T., and Shimizu, Y., Potentiometric CO sensors using anion-conducting polymer electrolyte: Effects of the kinds of noble metal-loaded metal oxides as sensing-electrode materials on CO-sensing properties, Sensors Actuators, B Chem., 2019, vol. 287, p. 42.

  7. Pasierb, P. and Rekas, M., Solid-state potentiometric gas sensors–current status and future trends, J. Solid State Electrochem., 2009, vol. 13, p. 3.

  8. Rudnitskaya, A., Gamelas, J.A.F., Evtuguin, D.V., and Legin, A., Studies on the redox turnover of polyoxometalates using potentiometric chemical sensors, New J. Chem., 2012, vol. 36, p. 1036.

  9. Aricò, A.S., Modica, E., Ferrara, I., and Antonucci, V., CO and CO/H2 electrooxidation on carbon supported Pt-Ru catalyst in phosphotungstic acid (H3PW12O40) electrolyte, J. Appl. Electrochem., 1998, vol. 28, p. 881.

  10. Amirinejad, M., Madaeni, S.S., Navarra, M.A., Rafiee, E., and Scrosati, B., Preparation and characterization of phosphotungstic acid-derived salt/Nafion nanocomposite membranes for proton exchange membrane fuel cells, J. Power Sources, 2011, vol. 196, p. 988.

  11. Treglazov, I., Leonova, L., Dobrovolsky, Y., Ryabov, A., Vakulenko, A., and Vassiliev, S., Electrocatalytic effects in gas sensors based on low-temperature superprotonics, Sensors Actuators B Chem., 2005, vol. 106, p. 164.

  12. Vakulenko, A., Dobrovolsky, Y., Leonova, L., Karelin, A., Kolesnikova, A., and Bukun, N., Protonic conductivity of neutral and acidic silicotungstates, Solid State Ionics, 2000, vol. 136–137, p. 285.

  13. Добровольский, Ю.А., Левченко, А.В., Леонова, Л.С. Электрохимические сенсоры для анализа водорода в воздухе. Альтернатив. энергетика и экология. 2008. № 2. С. 71. [Dobrovolsky, Yu.A, Levchenko, A.V., and Leonova, L.S., Electrochemical sensors for the analysis of hydrogen in air, Al’ternativ. Energetika i Ekologiya (in Russian), 2008, no. 12, p. 71.]

  14. Shmygleva, L.V., Chub, A.V., and Leonova, L.S., Solid-state potentiometric sensors with platinized SnO2(Sb) and calixarene/phosphotungstic acid composite electrolyte selective to CO in hydrogen-air atmosphere, Sensors Actuators B Chem., 2021, vol. 349, p. 130823.

  15. Бельмесов, А.А., Левченко, А.В., Паланкоев, Т.А., Леонова, Л.С., Укше А.Е., Чикин А.И., Букун Н.Г. Электрохимические сенсоры на основе платинированного Ti1 –xRuxO2. Электрохимия. 2013. Т. 49. С. 926. [Bel’mesov, A.A., Levchenko, A.V., Palankoev, T.A., Leonova, L.S., Ukshe, A.E., Chikin, A.I., and Bukun, N.G., Electrochemical sensors based on platinized Ti1 –xRuxO2, Russ. J. Electrochem., 2013, vol. 49, p. 831.]

  16. Шмыглева, Л.В., Сангинов, Е.А., Каюмов, Р.Р., Укше, А.Е., Добровольский, Ю.А. Влияние строения каликс[4]арен-пара-сульфокислоты на ее транспортные свойства. Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 540. [Shmygleva, L. V., Sanginov, E.A., Kayumov, R.R., Ukshe, A.E., and Dobrovol’skii, Y.A., Effect of the structure of calix[4]arene-para-sulfonic acid on its transport properties, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 468.]

  17. Шмыглева, Л.В., Писарева, А.В., Писарев, Р.В., Укше, А.Е., Добровольский, Ю.А. Протонная проводимость каликс[4]арен-пара-сульфокислот. Электрохимия. 2013. Т. 49. С. 893. [Shmygleva, L.V., Pisareva, A.V., Pisarev, R.V., Ukshe, A.E., and Dobrovol’skii, Y.A., Proton conductivity of calix[4]arene-para-sulfonic acids, Russ. J. Electrochem., 2013, vol. 49, p. 801.]

  18. Писарева, А.В., Писарев, Р.В., Карелин А.И., Шмыглева, Л.В., Антипин, И.С., Коновалов, А.И., Соловьева, С.Е., Добровольский, Ю.А., Алдошин, С.М. Протонная проводимость каликс[n]арен-пара-сульфокислот (n = 4, 8). Изв. Академии наук. Сер. хим. 2012. Т. 61. С. 1877. [Pisareva, A.V., Pisa-rev, R.V., Karelin, A.I., Shmygleva, L.V., Antipin, I.S., Konovalov, A.I., Solovieva, S.E., Dobrovolsky, Y.A., and Aldoshin, S.M., Proton conductivity of calix[n]arene-para-sulfonic acids (n = 4, 8), Russ. Chem. Bull., 2012, vol. 61, p. 1892.]

  19. Leonova, L., Shmygleva, L., Ukshe, A., Levchenko, A., Chub, A., and Dobrovolsky, Y., Solid-state hydrogen sensors based on calixarene—12-phosphatotungstic acid composite electrolytes, Sensors Actuators B Chem., 2016, vol. 230, p. 470.

  20. Formo, E., Peng, Z., Lee, E., Lu, X., Yang, H., and Xia, Y., Direct oxidation of methanol on Pt nanostructures supported on electrospun nanofibers of anatase, J. Phys. Chem. C, 2008, vol. 112, p. 9970.

  21. Liu, X., Chen, J., Liu, G., Zhang, L., Zhang, H., and Yi, B., Enhanced long-term durability of proton exchange membrane fuel cell cathode by employing Pt/TiO2/C catalysts, J. Power Sources, 2010, vol. 195, p. 4098.

  22. Chhina, H., Campbell, S., and Kesler, O., Ex situ evaluation of tungsten oxide as a catalyst support for PEMFCs, J. Electrochem. Soc., 2007, vol. 154, p. B533.

  23. Mahajan, S. and Jagtap, S., Metal-oxide semiconductors for carbon monoxide (CO) gas sensing: A review, Appl. Mater. Today, 2020, vol. 18, p. 100483.

  24. Lin, R., Cao, C., Zhang, H., Huang, H., and Ma, J., Electro-catalytic activity of enhanced CO tolerant cerium-promoted Pt/C catalyst for PEM fuel cell anode, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, p. 4648.

  25. Miura, N., Kanamaru, K., Shimizu, Y., and Yamazoe, N., Use of oxide electrodes for proton-conductor gas sensor, Solid State Ionics, 1990, vol. 40–41, p. 452.

  26. Colomer, M.T. and Jurado, J.R., Structural, microstructural, and electrical transport properties of TiO2–RuO2 ceramic materials obtained by polymeric sol–gel route, Chem. Mater., 2000, vol. 12, p. 923.

  27. Бельмесов, А.А., Баранов, А.А., Левченко, А.В. Анодные электрокатализаторы для топливных элементов на основе Pt/Ti1 –xRuxO2. Электрохимия. 2018. Т. 54. С. 570. [Belmesov, A.A., Baranov, A.A., and Levchenko, A.V., Anodic electrocatalysts for fuel cells based on Pt/ Ti1 –xRuxO2, Russ. J. Electrochem., 2018, vol. 54, p. 493.]

  28. Ткачева, Н.С., Надхина, С.Е., Левченко, А.В., Леонова, Л.С., Укше, А.Е. Влияние температуры отжига SnO2/Sb2O3 рабочего электрода на чувствительность сенсоров CO2. Альтернатив. энергетика и экология. 2011. Т. 11. С. 16. [Tkacheva, N.S., Nadkhina, S.E., Levchenko, A.V., Leonova, L.S., and Ukshe, A.E., Effect of annealing temperature of SnO2/Sb2O3 working electrode on CO2 sensors sensitivity, Al’ternativ. Energetika i Ekologiya (in Russian), 2011, no. 11, p. 16.]

  29. Marikuts, A., Rumyantseva, M., and Gaskov, A., Effect of n-type Doping of SnO2 and ZnO on Surface Sites and Gas Sensing Behaviour, Procedia Eng., 2016, vol. 168, p. 1082.

  30. Ozouf, G. and Beauger, C., Niobium- and antimony-doped tin dioxide aerogels as new catalyst supports for PEM fuel cells, J. Mater. Sci., 2016, vol. 51, p. 5305.

  31. Lee, K., Park, I., Cho, Y., Jung, D., Jung, N., Park, H., and Sung, Y., Electrocatalytic activity and stability of Pt supported on Sb-doped SnO2 nanoparticles for direct alcohol fuel cells, J. Catal., 2008, vol. 258, p. 143.

  32. Марикуца, А.В., Воробьева, Н.А., Румянцева, М.Н., Гаськов, А.М. Активные центры на поверхности нанокристаллических полупроводниковых оксидов ZnO, SnO2 и газовая чувствительность. Изв. Академии наук. Сер. хим. 2017. № 10. С. 1728. [Marikutsa, A.V., Vorob’eva, N.A., Rumyantseva, M.N., and Gas’kov, A.M., Active sites on the surface of nanocrystalline semiconductor oxides ZnO and SnO2 and gas sensitivity, Russ. Chem. Bull., 2017, vol. 66, p. 1728.]

  33. Maizelis, A. and Bairachniy, B., Electrochemical formation of multilayer SnO2–SbxOy coating in complex electrolyte, Nanoscale Res. Lett., 2017, vol. 12.

  34. Fu, Q., Colmenares Rausseo, L.C., Martinez, U., Dahl, P.I., García Lastra, J.M., Vullum, P.E., Svenum, I.H., and Vegge, T., Effect of Sb segregation on conductance and catalytic activity at Pt/Sb-doped SnO2 interface: a synergetic computational and experimental study, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, vol. 7, p. 27782.

  35. Frolova, L., Lyskov, N., and Dobrovolsky, Y., Nanostructured Pt/SnO2–SbOx–RuO2 electrocatalysts for direct alcohol fuel cells, Solid State Ionics, 2012, vol. 225, p. 92.

  36. Вакуленко, А.М., Леонова, Л.С., Укше, Е.А. Влияние монооксида углерода на электрический потенциал контакта платина/12-вольфрамофосфат аммония. Электрохимия. 1993. Т. 29. С. 1496. [Vakulenko, A.M., Leonova, L.S., and Ukshe, E.A., The influence of carbon–monoxide on the electric–potential of a platinum ammonium 12-phosphotungstate contact, Russ. Electrochem., 1993, vol. 29, p. 1310.]

  37. Hyodo, T., Goto, T., Takamori, M., Ueda, T., and Shimizu, Y., Effects of Pt loading onto SnO2 electrodes on CO-sensing properties and mechanism of potentiometric gas sensors utilizing an anion-conducting polymer electrolyte, Sensors Actuators, B Chem., 2019, vol. 300, p. 127041.

  38. Wang, Q., Bao, L., Cao, Z., Li, C., Li, X., Liu, F., Sun, P., and Lu, G., Microwave-assisted hydrothermal synthesis of Pt/SnO2 gas sensor for CO detection, Chinese Chem. Lett., 2020, vol. 31, p. 2029.

  39. Matijević, E. and Kerker, M., Influence of Electrolytes on the Light Scattering of Inorganic Compounds. Light Scattering of Phosphotungstic Acids, J. Amer. Chem. Soc., 1959, vol. 81, p. 1307.

  40. Baranov, A., Leonova, L., Belmesov, A., Domashnev, D., Levchenko, A., Shmygleva, L., Karelin, A., Dremova, N., and Dobrovolsky, Y., Acidic cesium salts of phosphotungstic acid: Morphology, water content and ionic conductivity, Solid State Ionics, 2022, vol. 379, p. 115902.

  41. Scharff, J.P., Mahjoubi, M., and Perrin, R., Synthesis and acid-base properties of Calix4, Calix6 and Calix8-arene p-sulfonic acids, New J. Chem., 1991, vol. 15, p. 883.

  42. Ukshe, A. and Leonova, L., Relaxation of the potential of superionic systems sensible to hydrogen concentration, Solid State Ionics, 1996, vol. 86–88, p. 1379.

  43. Fouletier, J., Seinera, H., and Kleitz, M., Measurement and regulation of oxygen content in selected gases using solid electrolyte cells. I. Discontinuous use of gauges, J. Appl. Electrochem., 1974, vol. 4, p. 305.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал