Влияние борных примесей различных концентраций на сенсорные свойства углеродных нанотрубок в отношении углекислого газа

Нанотрубки, являясь одним из самых востребованных материалов нанотехнологии, находят новые области применения, например, их использование в качестве фильтров вредных газов. Однако на практикезачастую оказывается, что после захвата анализируемого вещества изменения их электронного состояния не происходит. Это затрудняет фиксацию факта адсорбции вещества электронными устройствами, например сенсорными датчиками. Одним из способов решения данной проблемы может стать модифицирование поверхности углеродных нанотрубок различными атомами, что приведет к созданию нанотубулярных гетероструктур. Одним из наиболее эффективных для проведения реакции замещения веществом является бор. Он позволяет создать на поверхности нанотрубок перераспределение электронной плотности, при этом не внося существенных изменений в топологию поверхности нанотрубки. Это, в свою очередь, приводит к изменению электронно-энергетического строения получаемых систем и более выраженному изменению этого строения при сорбции атомов и молекул на поверхности таких модифицированных нанотрубок. В данной статье проводится анализ влияния борных примесей различных концентраций на сенсорную активность таких модифицированных бором углеродных нанотрубок в отношении углекислого газа для исследования возможности использования этих бороуглеродных систем в качестве материала для высокоэффективных сенсоров.

1. Zhiqiang G., Boru Y., Jinping J., Xuehong W. Research progress on carbon dioxide reduction coupled with the formation of C−O bonds to oxygenated compounds. Asian Journal of Organic Chemistry. 2023; 12(5): e202300097. https://doi.org/10.1002/ajoc.202300097

2. Srivastava S., Singh P., Gupta G. Transition metal tellurides based gas sensors for efficient sensing at room temperature: Progress and prospective. Micro and Nanostructures. 2022; 172: 207452. https://doi.org/10.1016/j.micrna.2022.207452

3. Struzzi C., Scardamaglia M., Casanova-Chafer J., Calavia R., Colomer J.-F., Kondyurin A., Bilek M., Britun N., Snyders R., Llobet E., Bittencourt C. Exploiting sensor geometry for enhanced gas sensing properties of fluorinated carbon nanotubes under humid environment. Sensors and Actuators B: Chemical. 2019; 281: 945—952. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.10.159

4. Ghosh D., Ghorai P., Debnath S., Roy D., Samanta A., Maiti K.S., Sarkar S., Roy D., Sarkar K., Banerjee R. Ch. 6. Impression of climatic variation on flora, fauna and human Being: A present state of art. In: Dubey A.K., Kumar A., Narang S.K., Khan M.A., Srivastav A.L. (eds.). Visualization techniques for climate change with machine learning and artificial intelligence; 2023. P. 101—122. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-99714-0.00004-2

5. Shrisha, Wu Ch.-M., Kebena G.M., Guan-Ying C., Dong-Hau K., Noto S.G. Highly efficient reduced tungsten oxide-based hydrogen gas sensor at room temperature. Materials Science and Engineering: B. 2023; 289: 116285. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2023.116285

6. Yao J., Nan Z., Juhua X., Quan J., Xiaoguang S., Xiaolong W. Co3O4/In2O3 p-n heterostructures based gas sensor for efficient structure-driven trimethylamine detection. Ceramics International. 2023; 49(11(Pt A)): 17354—17362. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.02.103

7. Лукьянов Г.Н. Сенсоры и датчики физических величин. СПб.: НИУ ИТМО; 2020. 57 с.

8. Xinqi L., Huiling Y., Qian Z., Bingyuan H., Fang L., Hejun G., Hongquan F., Juan Z., Yunwen L. Understanding the adsorption sites on nitrogen- and oxygen-doped carbon nanotubes for iodine uptake. Applied Surface Science. 2023; 629: 157387. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157387

9. Cheng Z., Jiabin S., Shanshan X., Jing W., Haiquan L., Siqi X., Yingjie P., Yong Z., Yongheng Z. Food Chemistry. 2022; 392: 133318. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133318

10. Zeyao F., Xueli Y., Zhenhua L., Caixuan S., Guofeng P., Hao Z. Ultra-efficient trimethylamine gas sensor based on Au nanoparticles sensitized WO3 nanosheets for rapid assessment of seafood freshness. Construction of efficient TEA gas sensor based on zinc vanadate for ppb-level detection. Materials Science in Semiconductor Processing. 2023; 156: 107285. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.107285

11. Xue Sh.-Sh., Tang Zh.-H., Zhu W.-B., Li Y.-Q., Huang P., Fu Sh.-Y. Stretchable and ultrasensitive strain sensor from carbon nanotube-based composite with significantly enhanced electrical and sensing properties by tailoring segregated conductive networks. Composites Communications. 2022; 29: 100987. https://doi.org/10.1016/j.coco.2021.100987

12. Singh K., Sharma S., Singh B., Gupta M., Tripathi C.C. Fabrication of graphene, graphite and multi wall carbon nano tube based thin films and their potential application as strain sensor. Thin Solid Films. 2022; 761: 139540. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2022.139540

13. Martins F.G., Thakur C.K., Karthikeyan C., Moorthy N.S.H.N., Sousa S.F. Use of lysinated multiwalled carbon nanotubes with carbohydrate ligands as a doxorubicin nanocarrier: A molecular dynamics analysis. Carbon Trends. 2023; 12: 100280. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2023.100280

14. Seman R.N.A.R., Azam M.A., Mohamad A. Systematic gap analysis of carbon nanotube-based lithium-ion batteries and electrochemical capacitors. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017; 75: 644—659. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.078

15. Andalouci A., Roussigné Y., Gangloff L., Legagneux P., Farhat S., Chérif S.M. 1D cobalt nanocrystals confined in vertically aligned carbon nanotubes: One-step synthesis and magnetic properties. Journal of Alloys and Compounds. 2023; 960: 170984. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170984

16. Sheng Z., Xiaoxin Y., Yixi Y., Xinrui Z., Lan L., Xiao W., Gaoyi H., Yan L. One-dimensional heterostructures of polyoxometalate-encapsulated carbon nanotubes for enhanced capacitive energy storage. Cell Reports Physical Science. 2023; 4(6): 101446. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101446

17. Jawad A., Zhiguang Z. Properties of concrete with addition carbon nanotubes: A review. Construction and Building Materials. 2023; 393: 132066. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132066

18. Xinyue Z., Guili Y. Overlapping of linear optical spectra in metallic carbon nanotubes, Controlled by applied axial magnetic field and uniaxial strain. Physica B: Condensed Matter. 2023; 666: 415102. https://doi.org/10.1016/j.physb.2023.415102

19. Hailong L., Cheng Z., Ningbo L., Miao Z. Microcracked strain sensor based on carbon nanotubes/copper composite film with high performance and waterproof property for underwater motion detection. Composites Part B: Engineering. 2023; 254: 110574. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110574

20. Santhosh N.M., Vasudevan A., Jurov A., Korent A., Slobodian P., Zavašnik J., Cvelbar U. Improving sensing properties of entangled carbon nanotube-based gas sensors by atmospheric plasma surface treatment. Microelectronic Engineering. 2020; 232: 111403. https://doi.org/10.1016/j.mee.2020.111403

21. Katta S.S., Yadav S., Singh P., Bhushan S., Srivastava A. Investigation of pristine and B/N/Pt/Au/Pd doped single-walled carbon nanotube as phosgene gas sensor: A first-principles analysis. Applied Surface Science. 2022; 588: 152989. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152989

22. Sawant S.V., Patwardhan A.W., Joshi J.B., Dasgupta K. Boron doped carbon nanotubes: Synthesis, characterization and emerging applications – A review. Chemical Engineering Journal. 2022; 427: 131616. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131616

23. Мансуров Р.Ш., Гурин М.А., Рубель Е.В. Влияние концентрации углекислого газа на организм человека. Universum: Технические науки. 2017; 8(41): 20—23.

24. Zaporotskova I.V., Boroznina N.P., Dryuchkov E.S., Shek T.S., Butenko Y.V., Zaporotskov P.A. Surface functionalization of CNTs by a nitro group as a sensor device element: Theoretical research. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2021; 6(2): 113—121. https://doi.org/10.17277/ jamt.2021.02.pp.113-121

25. Boroznina N., Zaporotskova I., Boroznin S., Dryuchkov E. Sensors based on amino group surface-modified CNTs. Chemosensors. 2019; 7(1): 11. https://doi.org/10.3390/CHEMOSENSORS7010011

26. Борознина Н.П., Запороцкова И.В., Запороцков П.А., Кожитов Л.В., Ерофеев Д.Р. Исследования взаимодействия модифицированных нитрогруппой боронитридных нанотрубок с газофазными углеродосодержащими молекулами для создания сенсорных устройств. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2022; 25(4): 261—270. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-4-261-270

27. Boroznin S.V., Zaporotskova I.V. Sensory properties of carbon nanotubes containing impurity boron atoms. Letters on Materials. 2022; 12(3): 214—218. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2022-3-214-218

28. Boroznin S.V. Carbon nanostructures containing boron impurity atoms: synthesis, physicochemical properties and potential applications. Modern Electronic Materials. 2022; 8(1): 23—42. https://doi.org/10.3897/j.moem.8.1.84317

29. Boroznina N.P., Zaporotskova I.V., Boroznin S.V., Kozhitov L.V., Zaporotskov P.A. In: The 5th World congress on recent advances in nanotechnology (RAN'20). October 2020; 2020. No 125. https://doi.org/10.11159/icnnfc20.125

30. Khan F., Julien C.M., Islam S.S. Fabrication of multiwalled carbon nanotubes/MoS2 nanocomposite: Application as temperature sensor. FlatChem. 2023; 40: 100521. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2023.100521