Gas sensing properties of Ti0.2V1.8CTx/V2O5 nanocomposite

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A method for the preparation of nanocomposite containing Ti0.2V1.8CTx MXene core and titanium-doped vanadium oxide surface layers as a result of relatively low-temperature partial oxidation of MXene multilayer - two-dimensional vanadium-titanium carbide has been developed. It is shown that during oxidation in air atmosphere of initial Ti0.2V1.8CTx at temperature 250°С, in general, the microstructure of accordion-like aggregates with some increase in porosity of their constituent layers and increase in their thickness due to the formation of V2O5 is preserved. At the same time, preservation of the MXene structure with a decrease in the interplanar spacing from 10.3 (initial powder Ti0.2V1.8CTx) to 7.3 Å was observed. Raman spectroscopy confirmed the formation of vanadium oxide. Kelvin-probe force microscopy data revealed that the formation of Ti0.2V1.8CTx/V2O5 nanocomposite results in a decrease in the work function from 4.88 (Ti0.2V1.8CTx) to 4.68 eV. The chemosensor properties towards a range of gaseous analytes (H2, CO, NH3, NO2, C6H6, C3H6O, CH4, C2H5OH and O2) have been comprehensively studied for Ti0.2V1.8CTx/V2O5 layers coated using the microplotter printing. At increased detection temperatures (125–200°С), high sensitivity to oxygen (10% O2) and NO2 (100 ppm) is observed; there are notable responses to humidity (50% RH) throughout the 25–200°С temperature range. At room temperature, good response to acetone, ethanol and ammonia is observed.

About the authors

E. P. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

A. S. Mokrushin

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

I. A. Nagornov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

V. M. Sapronova

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; D.I. Mendeleev Russian Chemical and Technological University

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 125047

Yu. M. Gorban

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences; D.I. Mendeleev Russian Chemical and Technological University

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991; Moscow, 125047

Ph. Y. Gorobtsov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

T. L. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. P. Simonenko

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

N. T. Kuznetsov

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: ep_simonenko@mail.ru
Russian Federation, Moscow, 119991

References

  1. Kang H., Cho S., Ryu J. et al. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. № 27. https://doi.org/10.1002/adfm.202002486
  2. Goschnick J. // Microelectron. Eng. 2001. V. 57–58. P. 693. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(01)00553-6
  3. Pazniak H., Plugin I.A., Loes M.J. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2020. V. 3. № 4. P. 3195. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02223
  4. Mao Z., Wang J., Gong Y. et al. // Micromachines. 2018. V. 9. № 11. P. 606. https://doi.org/10.3390/mi9110606
  5. Khorramifar A., Karami H., Lvova L. et al. // Sensors. 2023. V. 23. № 12. P. 5716. https://doi.org/10.3390/s23125716
  6. Persaud K., Dodd G. // Nature. 1982. V. 299. № 5881. P. 352. https://doi.org/10.1038/299352a0
  7. Yang B., Myung N.V., Tran T. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 9. P. 2100271. https://doi.org/10.1002/aelm.202100271
  8. Schroeder V., Evans E.D., Wu Y.-C.M. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 8. P. 2101. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00825
  9. Fedorov F.S., Simonenko N.P., Trouillet V. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 50. P. 56135. https://doi.org/10.1021/acsami.0c14055
  10. Li G., Zhu X., Liu J. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 4. P. 251. https://doi.org/10.3390/chemosensors11040251
  11. Germanese D., D’Acunto M., Magrini M. et al. // Sensors & Transducers. 2017. V. 215. № 8. P. 19.
  12. Wilson A. // Metabolites. 2015. V. 5. № 1. P. 140. https://doi.org/10.3390/metabo5010140
  13. van der Sar I.G., Wijbenga N., Nakshbandi G. et al. // Respir. Res. 2021. V. 22. № 1. P. 246. https://doi.org/10.1186/s12931-021-01835-4
  14. Güntner A.T., Koren V., Chikkadi K. et al. // ACS Sensors. 2016. V. 1. № 5. P. 528. https://doi.org/10.1021/acssensors.6b00008
  15. Jeong S.Y., Kim J.S., Lee J.H. // Adv. Mater. 2020. V. 32. Is. 51. https://doi.org/10.1002/adma.202002075
  16. Wei Z., Xiao X., Wang J. et al. // Sensors. 2017. V. 17. № 11. P. 2500. https://doi.org/10.3390/s17112500
  17. Nake A., Dubreuil B., Raynaud C. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2005. V. 106. № 1. P. 36. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.05.034
  18. Simonenko N.P., Fisenko N.A., Fedorov F.S. et al. // Sensors (Switzerland). 2022. V. 22. № 3247. P. 1. https://doi.org/10.3390/s22093473
  19. Bax C., Bernasconi R., Massironi F. et al. // J. Electrochem. Soc. 2021. V. 168. № 4. P. 047513. https://doi.org/10.1149/1945-7111/abf7e7
  20. Alshammari A.S., Alenezi M.R., Lai K.T. et al. // Mater. Lett. 2017. V. 189. P. 299. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.11.033
  21. Zhu Y., Yu L., Wu D. et al. // Sens. Actuators, A: Phys. 2021. V. 318. P. 112434. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112434
  22. Dai Y., Huang J., Zhang H. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2019. V. 281. P. 746. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.11.014
  23. Zazoum B., Bachri A., Nayfeh J. // Materials (Basel). 2021. V. 14. № 21. P. 6603. https://doi.org/10.3390/ma14216603
  24. Li N., Jiang Y., Xiao Y. et al. // Nanoscale. 2019. V. 11. № 44. P. 21522. https://doi.org/10.1039/C9NR06751E
  25. Ravi Kumar Y., Deshmukh K., Kovářík T. et al. // Coord. Chem. Rev. 2022. V. 461. P. 214502. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214502
  26. Sett A., Rana T., Rajaji U. et al. // Sens. Actuators, A: Phys. 2022. V. 338. P. 113507. https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113507
  27. Tan W.C., Ang K. // Adv. Electron. Mater. 2021. V. 7. № 7. https://doi.org/10.1002/aelm.202001071
  28. Lazanas A.C., Prodromidis M.I. // Microchim. Acta. 2021. V. 188. № 1. P. 6. https://doi.org/10.1007/s00604-020-04674-0
  29. Gómez I.J., Alegret N., Dominguez-Alfaro A. et al. // Chemistry (Easton). 2021. V. 3. № 4. P. 1314. https://doi.org/10.3390/chemistry3040095
  30. Cao J., Chen Q., Wang X. et al. // Research. 2021. V. 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9863038
  31. Choi S.-J., Kim I.-D. // Electron. Mater. Lett. 2018. V. 14. № 3. P. 221. https://doi.org/10.1007/s13391-018-0044-z
  32. Wu M., He M., Hu Q. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 10. P. 2763. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01308
  33. Lee E., VahidMohammadi A., Prorok B.C. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 42. P. 37184. https://doi.org/10.1021/acsami.7b11055
  34. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Mokrushin A.S. et al. // Nanomaterials. 2023. V. 13. № 5. P. 850. https://doi.org/10.3390/nano13050850
  35. Kim S.J., Koh H.J., Ren C.E. et al. // ACS Nano. 2018. V. 12. № 2. P. 986. ttps://doi.org/10.1021/acsnano.7b07460
  36. Shuvo S.N., Ulloa Gomez A.M., Mishra A. et al. // ACS Sensors. 2020. V. 5. № 9. P. 2915. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c01287
  37. Li X., An Z., Lu Y. et al. // Adv. Mater. Technol. 2022. V. 7. № 3. P. 2100872. https://doi.org/10.1002/admt.202100872
  38. Majhi S.M., Ali A., Greish Y.E. et al. // ACS Appl. Electron. Mater. 2022. V. 4. № 8. P. 4094. https://doi.org/10.1021/acsaelm.2c00717
  39. Sun Q., Wang J., Wang X. et al. // Nanoscale. 2020. V. 12. № 32. P. 16987. https://doi.org/10.1039/C9NR08350B
  40. Wu M., An Y., Yang R. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 6. P. 6257. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01059
  41. Majhi S.M., Ali A., Greish Y.E. et al. // Sci. Rep. 2023. V. 13. № 1. P. 3114. https://doi.org/10.1038/s41598-023-30002-6
  42. Guo L., Han H., Li Y. et al. // Appl. Phys. Lett. 2023. V. 123. № 1. P. 013901. https://doi.org/10.1063/5.0156402
  43. Zhang Y., Jiang Y., Duan Z. et al. // Sens. Actuators, B: Chem. 2021. V. 344. № 2. P. 130150. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130150
  44. Lee E., VahidMohammadi A., Yoon Y.S. et al. // ACS Sensors. 2019. V. 4. № 6. P. 1603. https://doi.org/10.1021/acssensors.9b00303
  45. Wu M., An Y., Yang R. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 6. P. 6257. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c01059
  46. Liu P., Xu H., Wang X. et al. // J. Collоid Interface Sci. 2024. V. 655. P. 364. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.11.027
  47. Chen K., Guan Y., Tan L. et al. // Appl. Surf. Sci. 2023. V. 617. P. 156575. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156575
  48. Feng K., Li Y., Xu C. et al. // Electrochim. Acta. 2023. V. 444. P. 142022. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142022
  49. Zhao W., Yang Y., Deng Q. et al. // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. № 5. https://doi.org/10.1002/adfm.202210037
  50. Zhang Y., Cao J., Yuan Z. et al. // Small. 2022. V. 18. № 30. P. 2202313. https://doi.org/10.1002/smll.202202313
  51. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  52. Wang X., Gong L., Li Z. et al. // J. Mater. Chem. A. 2023. V. 11. № 14. P. 7690. https://doi.org/10.1039/D2TA07917H
  53. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Averin A.A. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 142. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020142
  54. Kuang D., Wang L., Guo X. et al. // J. Hazard. Mater. 2021. V. 416. P. 126171. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126171
  55. Liang D., Song P., Liu M. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 7. P. 9059. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.12.089
  56. Fan C., Shi J., Zhang Y. et al. // Nanoscale. 2022. V. 14. № 9. P. 3441. https://doi.org/10.1039/D1NR06838E
  57. Gasso S., Mahajan A. // ACS Sensors. 2022. V. 7. № 8. P. 2454. https://doi.org/10.1021/acssensors.2c01213
  58. Simonenko E.P., Nagornov I.A., Mokrushin A.S. et al. // Materials (Basel). 2023. V. 16. № 13. P. 4506. https://doi.org/10.3390/ma16134506
  59. Simonenko N.P., Glukhova O.E., Plugin I.A. et al. // Chemosensors. 2022. V. 11. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/chemosensors11010007
  60. Badie S., Dash A., Sohn Y.J. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2021. V. 104. № 4. P. 1669. https://doi.org/10.1111/jace.17582
  61. Roy C., Banerjee P., Bhattacharyya S. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 3. P. 923. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.020
  62. Luo W., Liu Y., Wang C. et al. // J. Mater. Chem. C. 2021. V. 9. № 24. P. 7697. https://doi.org/10.1039/D1TC01338F
  63. Liu A., Yang Q., Ren X. et al. // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 5. P. 6934. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.008
  64. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 5. P. 705. https://doi.org/10.1134/S0036023622050187
  65. Matthews K., Zhang T., Shuck C.E. et al. // Chem. Mater. 2022. V. 34. № 2. P. 499. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03508
  66. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Averin A.A. et al. // Biosensors. 2023. V. 13. № 4. P. 445. https://doi.org/10.3390/bios13040445
  67. Mokrushin A.S., Gorban Y.M., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 12. P. 2099. https://doi.org/10.1134/S0036023622601520
  68. Nagornov I.A., Mokrushin A.S., Simonenko E.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 4. P. 539. https://doi.org/10.1134/S0036023622040143
  69. Wyckoff R.W.G. // Cryst. Struct. 1963. V. 1. P. 85.
  70. Etzkorn J., Ade M., Hillebrecht H. // Inorg. Chem. 2007. V. 46. № 18. P. 7646. https://doi.org/10.1021/ic700382y
  71. Yusupov K., Björk J., Rosen J. // Nanoscale Adv. 2023. V. 5. № 15. P. 3976. https://doi.org/10.1039/D2NA00830K
  72. Hart J.L., Hantanasirisakul K., Lang A.C. et al. // Nat. Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 522. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08169-8
  73. Mokrushin A.S., Nagornov I.A., Averin A.A. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 142. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020142
  74. Evans H.T., Mrose M.E. // Am. Mineral. 1955. V. 40. № 9–10. P. 861.
  75. Enjalbert R., Galy J. // Acta Crystallogr., Sect. C: Cryst. Struct. Commun. 1986. V. 42. № 11. P. 1467. https://doi.org/10.1107/S0108270186091825
  76. Pauling L., Sturdivant J.H. // Z. Krist. - Cryst. Mater. 1928. V. 68. № 1–6. P. 239. https://doi.org/10.1524/zkri.1928.68.1.239
  77. Grey I.E., Li C., Madsen I.C. et al. // Mater. Res. Bull. 1988. V. 23. № 5. P. 743. https://doi.org/10.1016/0025-5408(88)90040-2
  78. Meagher E.P., Lager G.A. // Can. Mineral. 1979. V. 17. P. 77.
  79. Kim Y., Gkountaras A., Chaix-Pluchery O. et al. // RSC Adv. 2020. V. 10. № 42. P. 25266. https://doi.org/10.1039/d0ra00842g
  80. Champagne A., Shi L., Ouisse T. et al. // Phys. Rev. B. 2018. V. 97. № 11. P. 1. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.115439
  81. Ureña-Begara F., Crunteanu A., Raskin J.P. // Appl. Surf. Sci. 2017. V. 403. P. 717. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.160
  82. Frank O., Zukalova M., Laskova B. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2012. V. 14. № 42. P. 14567. https://doi.org/10.1039/c2cp42763j
  83. Shvets P., Dikaya O., Maksimova K. et al. // J. Raman Spectrosc. 2019. V. 50. № 8. P. 1226. https://doi.org/10.1002/jrs.5616
  84. Tolosa A., Fleischmann S., Grobelsek I. et al. // ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. № 8. P. 3790. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00572
  85. Simonenko E.P., Simonenko N.P., Nagornov I.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 11. P. 1850. https://doi.org/10.1134/S0036023622601222
  86. Gorobtsov P.Y., Mokrushin A.S., Simonenko T.L. et al. // Materials. 2022. V. 15. № 7837. P. 1. https://doi.org/https://doi.org/10.3390/ma15217837
  87. Meyer J., Zilberberg K., Riedl T. et al. // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 3. https://doi.org/10.1063/1.3611392
  88. Gorobtsov P.Y., Simonenko T.L., Simonenko N.P. et al. // Colloids Interfaces. 2023. V. 7. № 1. P. 20. https://doi.org/10.3390/colloids7010020
  89. Mansfeldova V., Zlamalova M., Tarabkova H. et al. // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 3. P. 1902. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c10519

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».