Porous Ceramic Sensors: Hydrocarbon Gas Leaks Detection

According to the American National Standards Institute (ANSI), a sensor is a device which provides a usable output in response to a specified measurement of a physical quantity converted into a signal suitable for processing (e.g., optical, electrical, or mechanical signals). On the other hand, porous ceramic materials play an important role as sensor materials, because by selecting a suitable base ceramic material for the intended use and then adjusting their overall porosity, pore size distribution, and pore shape, they can cover different applications such as liquid-gas filters, insulators, catalytic supports, mixed of gases separators and sensors, among others. In addition, they have controlled permeability, high melting point, high superficial area, high corrosion and wear resistance, low expansion coefficient, tailored electronic properties, etc. Currently, a few niche areas demand sensors for compact electronic device design, e.g., leak inspections for oil and gas dispositive, flammable and/or toxic gas detection in waste storage areas and confined spaces, hydrocarbons and their associated gas detection at low temperatures and high humidity conditions, among others. In this chapter, the advances in porous ceramic production for hydrocarbons and associated gas detection will be presented and discussed

Synthesis of sub-5 nm Co-doped SnO2_2 nanoparticles and their structural, microstructural, optical and photocatalytic properties

A swift chemical route to synthesize Co-doped SnO$_2$ nanopowders is described. Pure and highly stable Sn$_{1-x}$Co$_x$O$_{2-\delta}$ (0 $\le$ x $\le$ 0.15) crystalline nanoparticles were synthesized, with mean grain sizes < 5 nm and the dopant element homogeneously distributed in substitutional sites of the SnO$_2$ matrix. The UV-visible diffuse reflectance spectra of the Sn$_{1-x}$Co$_x$O$_{2-\delta}$ samples reveal red shifts, the optical bandgap energies decreasing with increasing Co concentration. The Urbach energies of the samples were calculated and correlated with their bandgap energies. The photocatalytic activity of the Sn$_{1-x}$Co$_x$O$_{2-\delta}$ samples was investigated for the 4-hydroxylbenzoic acid (4-HBA) degradation process. A complete photodegradation of a 10 ppm 4-HBA solution was achieved using 0.02% (w/w) of Sn$_{0.95}$Co$_{0.05}$O$_{2-\delta}$ nanoparticles in 60 min of irradiation.Comment: 29 pages, 2 tables, 10 figure

Study of Structural and Sensing Properties of Tungsten Trioxide Thin Films Deposited By RF Sputtering

Hoy en día la habilidad de producir capas de óxidos metálicos compuestos por nanogranos es muy importante, no sólo como conocimiento fundamental, sino también desde un punto de vista industrial debido a las numerosas aplicaciones de los óxidos metálicos nanoesctructurados en varios dispositivos electrónicos. Por ejemplo, en el campo de los sensores de gas, la relación superficie-volumen de las capas basadas en nanogranos de óxidos metálicos, ofrece la posibilidad de mejorar las propiedades de detección de estos dispositivos. Por esta razón, una gran fracción del total de la investigación y desarrollo en el campo de los sensores de gas basados en óxidos metálicos está dirigida a obtener capas activas compuestas por nanogranos. En la actualidad el estudio de nuevas técnicas para el depósito de capas activas compuestas por nanogranos y además compatibles con la fabricación de microsistemas se ha convertido en una necesidad imperiosa. La presente tesis resume el trabajo del autor llevado a cabo en los últimos cuatro años y está relacionado con el desarrollo de dos regimenes especiales para depositar capas finas de óxido metálico por el método de pulverización catódica asistida por radio frecuencia para aplicaciones de sensores de gas. El primer régimen, nombrado régimen de interrupciones consiste en depositar la capa óxido metálico con una o varias interrupciones durante el proceso. El segundo régimen, nombrado régimen flotante consiste en introducir "extra" interfases dentro del volumen de la capa del óxido metálico por medio de interrupciones y empleando dos densidades de potencia durante el depósito (la primera para depositar el volumen de la capa y la segunda para depositar la capa superficial). El trabajo realizado en esta tesis fue de carácter experimental; además fue complementado por varios tipos de técnicas de caracterización que permitieron estudiar las propiedades físicas y las de detección de las capas depositadas.Los resultados mostraron que la introducción de "extra" interfases en el volumen de las capas de trióxido de tungsteno (WO3) influye en las propiedades morfológicas y estructurales de la capa obtenida. Se determinó que la transformación de fase del WO3, de amorfo a cristalino, tiene diferente tipo de actividad en las capas depositadas con interrupciones en comparación con las depositadas sin interrupciones. Así se observó que el proceso de cristalización es más lento cuando se depositan las capas de óxido metálico mediante el régimen de interrupciones. Por otro lado, se observó una reducción del tamaño de grano en las capas de WO3 depositadas tanto a través del régimen de interrupciones como del régimen flotante. También se determinó que los microsensores de gas fabricados empleando los dos regimenes estudiados tienen prometedoras características de detección, puesto que estos dispositivos mostraron mejor sensibilidad y selectividad a bajas concentraciones de gases oxidantes, tales como NO2 y O3, en comparación con los sensores de gas fabricados a través del régimen convencional de depósito por pulverización catódica. En conclusión, los sensores desarrollados en esta tesis podrían ser usados para monitorizar los principales contaminantes del aire.La tecnología de sensores se muestra como una de las tecnologías más importantes del futuro con una gran variedad de aplicaciones las cuales van desde el sector industrial hasta el sector privado. En la actualidad los sensores de gases son empleados para detectar y monitorizar una variedad de gases incluyendo gases tóxicos y explosivos. Las aplicaciones mas importantes de los sensores de gas están relacionados con el sector de la automoción, el sector industrial y el sector aeroespacial (donde los sensores son empleados para detectar gases tales como NOx, O2, NH3, SO2, O3, CO2 y gases de combustión para la protección del medio ambiente), el sector de la industria alimenticia (donde los sensores de gas son utilizados para controlar los procesos de fermentación), en el sector domestico (donde el CO2, humedad y gases de combustión necesitan ser detectados), el sector médico (donde los sensores de gas son aplicados para el diagnóstico y la monitorización de pacientes), y el sector de la seguridad (donde los sensores de gas son requeridos para detectar trazas de explosivos). Aunque algunas técnicas convencionales como la espectroscopia de masas o la cromatografía de gases pueden ser usadas en las aplicaciones mencionadas anteriormente con alta selectividad y sensibilidad, resulta obvio que su uso esta limitado por el coste, la instrumentación, la complejidad y el volumen de los equipos. Al contrario, los sensores de gas de estado sólido, en particular aquellos basados en capas de óxidos metálicos, representan una buena alternativa debido a su bajo costo, posibilidad de movilidad y compatibilidad con la tecnología microelectrónica. Desafortunadamente la falta de selectividad y estabilidad de largo plazo son parte de la problemática de este tipo de dispositivos. Como resultado, el desarrollo de sensores de gas basados en óxidos metálicos de alta sensibilidad, selectividad y buena estabilidad de largo plazo es el tema de muchas investigaciones. Hasta ahora, varias estrategias basadas principalmente en el uso de aditivos específicos en la superficie, catalizadores y promotores, controladores de temperatura y filtros han sido estudiadas con el objetivo de resolver parcialmente la problemática de los sensores de gas basados en óxidos metálicos. Sin embargo el autor cree que el paso fundamental para mejorar las funciones de este tipo de sensores esta relacionado con las recientes estrategias que tienen por objetivo el desarrollo de métodos para incremental el área superficial de la capa activa. Es bien sabido que la eficiencia de los sensores basados en óxidos metálicos está relacionada directamente con relación superficie-volumen de las capas activas. En esencia, las líneas de investigación estudiadas para conseguir altas áreas superficiales en las capas activas, pueden ser clasificadas en dos grupos. El primero consiste en la obtención de nanoparticulas basadas en óxidos metálicos a través de procesos químicos o físicos. El segundo consiste en la aplicación métodos especiales de preparación para el modelado de la superficie activa (por ejemplo, plantillas de estructura de alúmina porosa). Esta última opción representa una buena alternativa, pero sin métodos que permitan depositar capas activas basadas en nanopartículas no es factible. Por esta razón, es importante desarrollar métodos que permitan obtener capas de óxido metálico compuestos por nanopartículas. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivo desarrollar técnicas de deposito basadas en el método de pulverización catódica para depositar capas de oxido metálico compuestas por nanogranos. Este manuscrito resume el trabajo del autor llevado a cabo en los últimos cuatro años y está relacionado con el desarrollo de nuevas tecnologías para depositar capas de óxidos metálicos con el fin de ser aplicadas en sensores de gases. El trabajo realizado en esta tesis fue de carácter experimental; además fue complementado por varios tipos de técnicas de caracterización que permitieron estudiar las propiedades físicas y las de detección de las capas depositadas.La novedad del trabajo radica en la aplicación de dos regimenes de depósito a través de la técnica de pulverización catódica asistida por radio frecuencia para la creación de capas de oxido metálico aplicadas a sensores de gas. El primer régimen, nombrado régimen de interrupciones consiste en depositar una capa óxido metálico con una o varias interrupciones durante el proceso. En este caso se introducen "extra" interfases en el volumen de la capa, donde se forma una superficie en equilibrio debido a la saturación de los enlaces libres en la superficie producida por los átomos residuales de la atmósfera y/o la relajación de la estructura en la interfase durante la interrupción. El segundo régimen, nombrado régimen flotante consiste en introducir "extra" interfases dentro del volumen de la capa del óxido metálico por medio de interrupciones y empleando dos densidades de potencia durante el depósito (la primera para depositar el volumen de la capa y la segunda para depositar la capa superficial). Los resultados mostraron que la aplicación interrupciones durante el crecimiento de capas finas de WO3 permite la creación de capas compuestas por nanogranos. La caracterización morfológica de las muestras depositadas con este régimen dio evidencia de la reducción del tamaño de grano en el WO3 en comparación con las muestras depositadas a través del régimen convencional. Se determinó una reducción en el tamaño de grano desde 24 nm a 17 nm mediante microscopia de fuerza atómica. Por otro lado, las capas de WO3 depositadas por interrupciones revelaron una estructura monoclínica con simetría Pc. Se determinó que la transformación de fase del WO3, de amorfo a cristalino, tiene diferente tipo de actividad en las capas depositadas con interrupciones en comparación con las depositadas sin interrupciones. Así se observó que el proceso de cristalización es más lento cuando se depositan las capas de óxido metálico mediante el régimen de interrupciones. La caracterización de las propiedades de detección de los microsensores de gas fabricados empleando el régimen de interrupciones reveló una mejora de la sensibilidad y selectividad a bajas concentraciones de gases oxidantes, tales como NO2 y O3, con respecto a los sensores fabricados convencionalmente. La mejora de la sensibilidad de los sensores fabricados con el régimen de interrupciones esta relacionada con la disminución del tamaño de grano en la capa activa.Los sensores de WO3 fabricados mediante el régimen flotante no mostraron diferencias ni en el tamaño de grano ni en la composición cristalina con respecto a las capas depositadas por interrupciones. La caracterización de las propiedades de detección de los sensores de gas fabricados con el régimen flotante dio como resultado altas sensibilidades para bajas concentraciones de NO2. La mejora de la sensibilidad observada en los sensores de gas fabricados por el régimen flotante parece estar relacionada no solo con la reducción en el tamaño de grano de la capa activa (comparando con los sensores de gas convencionales), si no también podría tener relación con el grado de limpieza de la superficie de la capa, la cual es mejor debido a que la capa superficial es depositada a una densidad de potencia más alta. En base a estos resultados se cree que los sensores desarrollados en esta tesis podrían ser usados para monitorizar los principales contaminantes del airePalabras clave: Trióxido de tungsteno, RF sputtering, Nanogranos, Sensor de Ga

Semiconducting Metal Oxide Based Sensors for Selective Gas Pollutant Detection

A review of some papers published in the last fifty years that focus on the semiconducting metal oxide (SMO) based sensors for the selective and sensitive detection of various environmental pollutants is presented

Conductometric Gas Nanosensors

This paper presents a review of the current research activities in the field of gas nanosensors. Nanomaterials are characterized by physical and chemical properties that differ from their macroscopic counterparts and, in particular, by an enhanced chemical reactivity even at room temperature. This effect has stimulated the development of chemical sensors based on several different nanomaterials. Here we focus most attention on carbon nanotubes, silicon and metal oxide nanoparticles and metal nanowires. After introducing a few general definitions a discussion on the fundamental properties of the nanostate used in the sensor field is presented and several nanosensors, based on the aforementioned nanomaterials, are discussed. Finally, some personal conclusions will be drawn

Morphology-properties studies in laser synthesized nanostructured materials

Synthesis of well-defined nanostructures by pulsed laser melting is an interesting subject from both a funda- mental and technological point of view. In this thesis, the synthesis and functional properties of potentially useful materials were studied, such as tin dioxide nanostructured arrays, which have potential applications in hydrogen gas sensing, and ferromagnetic Co nanowire and nanomagnets, which are fundamentally im- portant towards understanding magnetism in the nanoscale. First, the formation of 1D periodic tin dioxide nanoarrays was investigated with the goal of forming nanowires for hydrogen sensing. Experimental obser- vations combined with theoretical modeling successfully explained the mechanisms of structure formation. One of the primary findings was that evaporation of tin dioxide was the most significant contributor to the pattern formation. Next, the spontaneous liquid film spinodal dewetting process under pulsed laser melting was modeled using the viscous dissipation approach. We found that the fluid condition for spinodal dewet- ting is where the film-substrate tangential stress is zero. Following this, the remainder of the thesis focused on synthesis and characterization of magnetic nanostructures. We first successfully installed a home-built Surface Magneto-optical Kerr Effect (SMOKE) system. Using SMOKE we measured the Kerr rotation from potential plasmonic-ferromagnetic magneto-optical materials made from Co-Ag thin films and nanoparti- cles as a function of composition. We found that films made by co-deposition of Co and Ag showed higher Kerr rotation in contrast to bilayer film structures with same effective amount of Co and Ag. Next, we inves- tigated the shape and size dependence of magnetic properties of nanostructures, specifically hemispherical nanoparticles, nanowires and nanorods, prepared by the pulsed laser process. The magnetic anisotropy was studied by using the SMOKE system complemented with magnetic force microscopy (MFM) analy- sis. Results from magnetic hysteresis measurements of the nanostructures in different geometries showed coercivity and remanence that could be attributed to magnetic shape anisotropy. MFM analysis showed that domain orientation was found to depend on the aspect ratio of the nanostructure. These investigations generally helped advance the science of nanostructure synthesis using nanosecond pulsed laser techniques as well demonstrate that SMOKE is a promising method to investigate nanostructure magnetism

Thermo-cyclically operated metal oxide gas sensor arrays for analysis of dissolved volatile organic compounds in fermentation processes: Part II – Quasi online monitoring in biogas fermentation

This study presents a quasi-online method for monitoring of dissolved volatile fatty acids (VFAs) in biogas fermentation processes with a carrier gas probe by use of thermo-cyclically operated metal oxide gas sensor arrays. Each of the two sensor arrays comprises a pure SnO$_2$ and three different SnO$_2$/additive-composites (additives: alumina, YSZ, NASICON) but differ by SnO$_2$ synthesis routes, namely Flame Spray Pyrolysis (FSP) and Sol-Gel (SG) technique, respectively. This allowed comparative studies of the influence of layer morphology on VFA sensing characteristics. For sensitive determination of the dissolved VFAs besides high concentrations of biogas components like CO or CH$_4$, first a pre-treatment routine of the fermentation sample was introduced to remove those physically dissolved gases without losing VFAs. The Conductance-over-Time-Profiles (CTPs) of eight different sensing layers were measured simultaneously at exposure to the gases extracted from the fermentation sample at different pH conditions. Almost all the investigated SnO$_2$/additive-composites show CTP-features clearly correlating with the undissociated VFA even at concentrations below 120 ppm as referenced by GC-analysis. The lower detection limit is well below inhibitory concentration for fermentation processes. As expected, most pronounced CTPs representing actual VFAs situation were measured at pH 3, well below the pKa of the VFAs. The FSP-layers highlighted clearly better sensitivity and CTP specificity of higher quality compared to SG-layers. Among the SnO$_2$/additives, the CTP-features of the SnO$_2$(FSP)/NASICON and SnO$_2$(SG)/NASICON layers showed the best specificity to acetic and propionic acid. For the first time, quasi-online analysis of VFAs using metal oxide gas sensors for early warning of VFA-development in biogas fermentation processes was demonstrated

Formation of Advanced Nanomaterials by Gas-Phase Aggregation

The book represents a collection of papers from Special Issue “Formation of Advanced Nanomaterials by Gas-Phase Aggregation” published in journal Applied Nano. It contains review and original articles covering a range of topics on the growth of clusters/nanoparticles using gas-phase aggregation approaches, the application of cluster beams for the formation of nanomaterials with advanced properties and specific nanostructures as well as providing new fundamental insights on nanoscale properties of materials

Recent Advances in Lossy Mode Resonance-Based Fiber Optic Sensors: A Review

Fiber optic sensors (FOSs) based on the lossy mode resonance (LMR) technique have gained substantial attention from the scientific community. The LMR technique displays several important features over the conventional surface plasmon resonance (SPR) phenomenon, for planning extremely sensitive FOSs. Unlike SPR, which mainly utilizes the thin film of metals, a wide range of materials such as conducting metal oxides and polymers support LMR. The past several years have witnessed a remarkable development in the field of LMR-based fiber optic sensors; through this review, we have tried to summarize the overall development of LMR-based fiber optic sensors. This review article not only provides the fundamental understanding and detailed explanation of LMR generation but also sheds light on the setup/configuration required to excite the lossy modes. Several geometries explored in the literature so far have also been addressed. In addition, this review includes a survey of the different materials capable of supporting lossy modes and explores new possible LMR supporting materials and their potential applications in sensing