Printable gas sensors based on transition metal vanadate nanostructures
Authors: Μοσχογιαννάκη Μαριλένα 
Published: November 2022

Παρόλο που ο πρώτος αισθητήρας αερίου βασισμένος σε οξείδιο μετάλλου κατασκευάστηκε πριν 60 χρόνια, η ανάγκη για παρακολούθηση της ποιότητα του αέρα έχει γίνεται ολοένα και πιο μεγάλη λόγω των υψηλών επιπέδων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, η οποία προκαλείται από ανθρώπινες δραστηριότητες. Η χαμηλή ποιότητα αέρα προκαλεί ετησίως περισσότερους θανάτους από τον HIV/AIDS και τη ελονοσία ταυτόχρονα, ενώ παράλληλα ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) γνωστοποιεί ότι 9 στους 10 ανθρώπους παγκοσμίως ζούνε σε μέρη όπου η ποιότητα του αέρα είναι σε πολύ χαμηλότερα επίπεδα από τα επιτρεπτά όρια που έχουν τεθεί. Την ίδια στιγμή, οι αισθητήρες αερίων οφείλουν να τηρούν συγκεκριμένες προϋποθέσεις με σκοπό να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εύρος καθημερινών εφαρμογών, παραδείγματος χάριν χαμηλό κόστος κατασκευής και ενεργειακή κατανάλωση, μικρές διαστάσεις, ευκαμπτότητα και ευελιξία σε συνδυασμό με καλή συμπεριφορά στην ανίχνευση αερίων. Επιπροσθέτως, η ανάπτυξη προηγμένων οξειδίων μετάλλων που αποτελούνται από περισσότερα των 2 στοιχείων, δίνει τη δυνατότητα εύρεσης πιθανών υποψήφιων υλικών καθώς οι ιδιότητες τους μπορεί να υπερβαίνουν εκείνες των απλών, ευρέως χρησιμοποιημένων υλικών, ανοίγοντας έτσι ευκαιρίες για εφαρμογές βασισμένες σε πραγματικές συνθήκες ατμοσφαιρικής παρακολούθησης. Παράλληλα, αν και αυτά τα σύνθετα προηγμένα οξείδια μετάλλων μπορεί να έχουν μελετηθεί σε ηλεκτροχημικές εφαρμογές, δεν είναι γνωστά ως αισθητήρες αερίων και ο ακριβής τους μηχανισμός αλληλεπίδρασης των μορίων των αερίων με την επιφάνεια του υλικού δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμα. Επομένως, η εύρεση ενός αποτελεσματικού τρόπου παρακολούθησης της ποιότητας του αέρα είναι αδιαμφισβήτητα υψηλής προτεραιότητας στον τομέα της προστασίας του περιβάλλοντος και της υγείας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή έλαβε χώρα η ανάπτυξη με χαμηλού κόστους συνθετικές πορείες, ενδελεχής δομικός-μορφολογικός-οπτικός χαρακτηρισμός και η μελέτη για περιβαλλοντικές εφαρμογές των νανοδομών βαναδίων μετάλλων μετάπτωσης. Πιο συγκεκριμένα, πολύμορφα οξειδίων μετάλλων μετάπτωσης και βαναδίου συνετέθησαν μέσω δύο διαφορετικών μεθόδων σύνθεσης, της polyol process σε θερμοκρασία δωματίου και της διαλυτοθερμικής πορείας σε αυτόκλειστο δοχείο στους 150oC. Τα οξείδια μετάλλων βαναδίου που συνετέθησαν ήταν της μορφής MxV2O5+x, M= Co (κοβάλτιο), Ni (νικέλιο), Co-Ni (κοβάλτιο-νικέλιο) and Zn (ψευδάργυρος) και με δείκτη x=1-3. Οι παράμετροι που μεταβλήθηκαν ήταν ο χρόνος αντίδρασης, η μοριακή αναλογία των μετάλλων, ενώ παράλληλα βρέθηκαν οι πρόσθετοι αναγωγικοί παράγοντες και ο βέλτιστος συνδυασμός. Η μεταβολή των παραμέτρων έγκειται στην κατανόηση του συστήματος και στην ανάπτυξη υλικών μιας φάσης. Επομένως, καθαρά υλικά, υψηλά κρυσταλλωμένα με πορώδεις νανοδομές επιλέχθηκαν και παρατηρήθηκε ότι το κρυσταλλογραφικό σύστημα που ανήκουν εκείνα με x=1 είναι το τρικλινές, με x=2 είναι το μονοκλινές και με x=3 είναι το ορθορομβικό. Τα παραπάνω υλικά χαρακτηρίστηκαν με την Τεχνική της Περίθλασης ακτινών-x, με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης και Διέλευσης, με Φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτινών-x και Υπεριώδες - Ορατού, με Φασματοσκοπία Raman και Φασματοσκοπία FTIR και Kelvin Probe. Οι τεχνικές εναπόθεσης που χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου τα παραπάνω υλικά σε μορφή σκόνης να δημιουργήσουν υμένια ήταν: οι μέθοδοι των spin coating, direct ink writing, screen printing και drop casting. Οι τελικές διατάξεις (συμπεριλαμβανομένου γυάλινου και εύκαμπτου PET υποστρώματος αλλά και ηλεκτρόδια πλατίνας, παλαδίου και χρυσού) μελετήθηκαν υπό την επίδραση πολλών περιβαλλοντικών αερίων όπως υδρογόνου, όζοντος, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του αζώτου και πτητικών αερίων. Επιπλέον, έγινε μελέτη σε θερμοκρασία δωματίου αλλά και σε άλλες χαμηλές και υψηλότερες θερμοκρασίες, όπως και σε συνθήκες διαφορετικών ποσοστών υγρασίας. Τα πιο υποσχόμενα υλικά (πολύμορφα κοβαλτίου-βαναδίου) χαρακτηρίστηκαν ενδελεχώς και πιθανοί μηχανισμοί ανάπτυξης προτάθηκαν βασισμένοι σε operando DRIFTS και operando Kelvin Probe τεχνικές, καταλήγοντας σε ακριβή συμπεράσματα για τις αντιδράσεις αλληλεπίδρασης των αερίων με τις επιφάνειες των υμενίων των αισθητήρων και τα μοντέλα της δομής των ζωνών τους.