Fabrication of a Gas Sensor from Thin Films of Tungsten Oxide Nanoparticles and Their Use in Oil Refineries

خالد حميد جبر

doi:10.52716/jprs.v12i1.600

المؤلفون

خالد حميد جبر Ministry of Oil - Oil Training Institute - Baghdad – Iraq

DOI:

https://doi.org/10.52716/jprs.v12i1.600

الكلمات المفتاحية:

Tungsten oxide‎(WO3), pulsed laser, ‎nanoparticles, pulsed laser, )PLD).

الملخص

في هذا البحث تم تصنيع ودراسة الخصائص التركيبية والحساسية للغازات السامة لأغشية جزيئات أكسيد التنجستن النانوية لإظهار تأثير درجات الحرارة المختلفة (400، 600، 800) درجة مئوية، المحضرة بطريقة الترسيب بالليزر النبضي باستخدام ليزرNd: YAGعلى الافلام المترسبة على ركيزة الكوارتز لجميع العينات.اظهرت نتائج حيود الاشعة السينية (‏XRD‎) ان جميع الاغشية الرقيقة لها بنية متعددة البلورات ولها اتجاه ذروة (010) لجميع العينات. وأن زيادة درجة الحرارة أدت إلى ‏زيادة حجم الجسيمات‏ عند (‏(010) ‏من ‏0.19 الى 0.14‏ مع زيادة درجة ‎(WO₃‎ لاغشية (FWHM‏انخفاض قيم العرض الكامل عند منتصف ‏القمةAFM ‎ باستخدام مجهر القوة الذرية‎‎WO₃.

تمت دراسة طبيعة تضاريس الجسيمات النانوية من أوكسيد التنجستن‏‎ والتي أثبتت أن الاغشية المزروعة بهذه الطريقة لها تبلور جيد ولها سطح متجانس. تزداد قيم جذر متوسط التربيع(‏‎(RMS‎‏ لجسيمات أوكسيد التنجستن النانوية‏(WO₃‎) مع زيادة درجة الحرارة‎‏.‎عند قياس حساسية الجسيمات النانوية لأوكسيد التنجستن (‎(WO₃‎ لغازات(‏CO، NH₃،(NO₂، وجد أن الفلم لديها حساسية جيدة لهذه‏ الغازات عند درجة حرارة الغرفة ‏‎(‎‏‎(RT‎‏‏،‏ وكانت أفضل حساسية. عند درجة حرارة الفلم (800) درجة مئوية كالتالي: غاز اول أوكسيد الكاربون (81%)،غازNH₃‎ ‏‏‏ (84%) وغازNO₂‎‏(100%). ‏‎‏

أظهرت جميع الدراسات أن أوكسيد التنجستن (‎(WO₃‏ لديها القدرة على اكتشاف الغازات السامة ،مثل (‎NO₂‎‏،‏‎NH₃‎،‏‎ CO‏)،والتي لها‎ تأثير ضار على العاملين في مصافي النفط. تستخدم أغشية أوكسيد التنجستن (‎(WO₃‎‏ في تصنيع مستشعرات الغاز التي يمكن استخدامها ‎‏في هذه المصافي ،وعندما ترتفع درجة الحرارة ،تصبح اكثر حساسية للغازات ‎‏(‏‎CO،‏NH₃‎‏، ‎‎.(NO₂‎‏

المراجع

‎[1] H.J. Chen, N.S. Xu, S.Z. Deng, D.Y. Lu, Z.L. Li, J. Zhou, J. Chen,” Synthesis of ‎monoclinic ‎WO3 nanosphere hydrogen gasochromic film via a solegel approach using ‎PS-b-PAA ‎diblock copolymer as template”, Nanotechnology 18 205701China (2007).‎

‎[2] Y. Hattori, S. Nomura, S. Mukasa, H. Toyota, T. Inoue, T. Kasahara, J. Alloys Comp. ‎‎, ‎‎“Synthesis of tungsten trioxide nanoparticles by microwave plasma in liquid”,.560 ‎‎(2013) ‎‎105–110 China (2017).‎

‎[3] Y.X. Qin, F. Wang, W.J. Shen, M. Hu, J. Alloys Comp, “Surface Modification of ‎Titanium ‎and Titanium Alloys: Technologies, Developments, and Future Interests”, ‎‏ ‏‎540 21–‎‎26 Article in Advanced Engineering Materials (2020). ‎

‎[4] L. Fang, S.J. Baik, K.S. Lim, S.H. Yoo, M.S. Seo, S.J. Kang, J.W. Seo, App,”effect on ‎the ‎reduction of the barrier height in rear-emitter silicon “,l. Phys. Lett. 96 193501 ‎Department ‎of Physics, COMSATS University Islamabad (2010).

‎‎[5] P. J. Barczuk, A. Krolikowska, A. Lewera, K. Miecznikowski, R. Solarska, ‎J,”.Structural ‎and photoelectrochemical investigation of boron-modified nanostructured ‎tungsten ‎trioxide films”, University of Warsaw (2013).‎

‎[6] R. Sivakumar, A. Moses Ezhil Raj, B. Subramanian, M. Jayachandran Trivedi, C. ‎‎Sanjeeviraja, Mater. Res. Bull, ”Preparation and characterization of spray deposited n-‎type ‎WO3 thin films for electrochromic devices”,.39 1479–1489 Department of ‎Physics, Scott ‎Christian College, Nagercoil (2004) .‎

‎[7] Z. Silvester Houweling, John W. Geus, Michiel de Jong, Peter-Paul R.M.L. Harks, ‎Karine ‎H.M. van der Werf, Ruud E.I. Schropp, Mater. Chem. Phys. 131 (2011) 375–‎‎386.‎

‎[8] K.J. Lethy, D. Beena, R.V. Kumar, V.P.M. Pillai, V. Ganesan, V. Sathe, Appl. ‎‎Surf,”Structural, optical and morphological studies on laser ablated ‎nanostructured ‎WO3 thin films”, Sci. 254 2369–2376 University of Kerala, ‎Kariavattom (2008).‎

‎[9] S. Yamamoto, A. Inouye, M. Yoshikawa, Nucl. Instrum. Methods B,”Gasochromic WO3 ‎Nanostructures for the Detection of Hydrogen Gas: An Overview”, 266 802–806 ‎University of Technology (2008).‎

L.M. Bertus, C. Faure, A. Danine, C. Labrugere, G. Campet, A. Rougier, A. Duta, “ynthesis and characterization of WO3 thin films by surfactant assisted spray pyrolysis for electrochromic applications”, Mater. Chem. Phys. 140 (2013) 49–59.

P.M. Kadam, N.L. Tanwal, P.S. Shinde, S. S. Mali, R.S. Patil, A.K. Bhosale, H.P. Deshmukh, P.S. Patil, “Enhanced optical modulation due to SPR in gold nanoparticles embedded WO3 thin films”, Journal of Alloys and Compounds, 509 (2011) 1729–1733.

W.L. Kwong, N. Savvides, C. C. Sorrell, “Electrodeposited nanostructured WO3 thin films for photoelectrochemical applications”, Electrochim. Acta 75 Australia (2012) 371–380

B. Ingham, S.V. Chong, J.L. Tallon, “Novel materials based on organic–tungsten oxide hybrid systems II: electronic properties of the W–O framework”, Curr. Appl. Phys. 4 (2004) 202–205.

N. Naseri, H. Kim, W. Choi, A.Z. Moshfegh, “Implementation of Ag nanoparticle incorporated WO3 thin film photoanode for hydrogen production” , Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 2117–2125.

R. Solarska, B.D. Alexander, A. Braun, R. Jurczakowski, G. Fortunato, M. Stiefel, T. Graule, J. Augustynski, “Tailoring the morphology of WO3 films with substitutional cation doping: Effect on the photoelectrochemical properties”, Electrochim. Acta 55 (2010) 7780–7787.

C.V. Ramana, G. Baghmar, E.J. Rubio, M.J. Hernandez, “Optical Constants of Amorphous, Transparent Titanium-Doped Tungsten Oxide Thin Films”, ACS Appl. Mater. Int. 5 (2013) 4659–4666.

H.H. Lu, J. Alloys, “Effects of oxygen contents on the electrochromic properties of tungsten oxide films prepared by reactive magnetron sputtering” , journal of alloys and Compounds, 465 (2008) 429–435.

S. Keshri, A. Kumar, D. Kabiraj, “Tailoring of optical and gas sensitivity behaviors of WO3 films by low energy Ar+ ion implantation” , Thin Solid Films 526 (2012) 50–58.

K.J. Patel, C.J. Panchal, V.A. Kheraj, M.S. Desai, “Growth, structural, electrical and optical properties of the thermally evaporated tungsten trioxide (WO3) thin films” , Mater. Chem. Phys. 114 475–478 (2009).

R. Binions, C. Piccirillo, R.G. Palgrave, I.P. Parkin, Chem. Vapor Depos. 14 (2008) 33–39.Kowalsky, J. Mater. Chem. 19 (2009) 702–705. , D.C.

A. I. Khudadad, “ Influence of thermal annealing on the gas sensing properties of Tungsten Oxide (WO3) nano-sensor” , Mustansiriyah University,(2020).

J.W. Roberts, P.R. Chalker, B. Ding, R.A. Oliver, J.T. Gibbon, L.A.H. Jones, V.R. Dhanak, L.J. Phillips, J.D. Major, F.C.-P. Massabuau, “Low temperature growth and optical properties of α-Ga2O3 deposited on sapphire by plasma enhanced atomic layer deposition, Journal of Crystal Growth”, Volume 528, 2019, 125254(2019).