การเตรียมตัวตรวจวัดแก๊ส NO2 โดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนเจือไนโตรเจนและ ท่อนาโนคาร์บอนเจือโบรอนและไนโตรเจนสังเคราะห์จากสารตั้งต้นชนิดของแข็ง: Preparation of NO2 Gas Sensing by Using CN-NTs and BCN-NTs Synthesized  from Solid Precursor

Arngsupha Niamsang

Authors

Arngsupha Niamsang Faculty of Science, Burapha University

Keywords:

ท่อนาโนคาร์บอนเจือไนโตรเจน, โบรอนคาร์บอนไนไตรด์, ไนโตรเจนไดออกไซด์, แก๊สเซ็นเซอร์, Nitrogen doped carbon nanotubes, Boron carbon nitride, Nitrogen dioxide, Gas sensor

Abstract

ท่อนาโนคาร์บอนเจือไนโตรเจน (CN-NTs) และท่อนาโนคาร์บอนเจือโบรอนและไนโตรเจน (BCN-NTs) สำหรับประยุกต์ใช้เป็นเซ็นเซอร์ตรวจวัดแก๊สไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO₂) ถูกสังเคราะห์ด้วยเทคนิคการตกเคลือบด้วยไอระเหยทางเคมีโดยการผสมสารตั้งต้นที่ประกอบด้วย อิมิดาโซล เฟอร์โรซีน และกรดบอริก ที่อุณหภูมิในการสังเคราะห์ 900 ^๐C จากการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) พบว่าเกิดความบกพร่องขึ้นบริเวณโครงสร้างท่อและภายในท่อแสดงโครงสร้างคล้ายปล้องไผ่ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของ CN-NTs และ BCN-NTs อยู่ในช่วง 145.9±11.5 นาโนเมตร และ 67.9±7.5 นาโนเมตร ตามลำดับ จากการตรวจสอบความบกพร่องในท่อนาโนคาร์บอนด้วยรามานสเปกตรัมโดยใช้อัตราส่วน I_D/I_G ซึ่งผลแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วน I_D/I_G ของ CN-NTs และ BCN-NTs มีค่าเท่ากับ 1.10 และ 1.57 ตามลำดับ ผลการวิเคราะห์ธาตุภายในท่อนาโนคาร์บอนจากเอกซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (XPS) สามารถยืนยันได้ว่า CN-NTs และ BCN-NTs มีอะตอมไนโตรเจนและ/หรืออะตอมโบรอนอยู่ จากผล XPS ของ CN-NTs แสดง 2 ชนิดความแตกต่างของไนโตรเจนที่รวมอยู่ภายในโครงสร้างของท่อคือ Quaternary nitrogen และ Graphitic-N-O ขณะที่ BCN-NTs มีปริมาณของโบรอนในปริมาณที่ต่ำและมีรูปแบบการรวมตัวของไนโตรเจนภายในท่อได้หลายชนิด ผลการตรวจวัดแก๊ส NO₂ พบว่า CN-NTs มีการตอบสนองที่รวดเร็วและมีการคืนตัวที่สมบูรณ์ เป็นไปได้ว่าความบกพร่องในโครงสร้างของท่อจากการเจืออะตอมไนโตรเจนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดูดซับแก๊ส NO₂ในอีกด้านหนึ่ง BCN-NTs มีการตอบสนองต่อแก๊ส NO₂ ที่ช้าและมีการคืนตัวที่ไม่สมบูรณ์เนื่องจากอะตอมโบรอนที่ถูกเจือมีการยึดเกาะที่แข็งแรงกับโมเลกุลของแก๊ส NO₂ ดังนั้นการสังเคราะห์ BCN-NTs ยังคงจำเป็นต้องศึกษาเพื่อเพิ่มปริมาณการยึดเกาะของอะตอมโบรอนที่เจือและควบคุมองค์ประกอบของธาตุให้มีอัตราส่วนที่เหมาะสมของงานวิจัยในอนาคต

Nitrogen doped carbon nanotubes (CN-NTs) and boron and nitrogen doped carbon nanotubes (BCN-NTs) were obtained for applied to nitrogen dioxide (NO₂) gas sensing. The CN-NTs and BCN-NTs in this research were synthesized by the chemical vapor deposition method at 900 ^๐C using a mixture of imidazole/ferrocene/boric acid as a precursor. Our results showed that defect in tube structure and the tubes exhibited Bamboo-like structure from transmission electron microscopy (TEM) analysis. The average diameter of CN-NTs and BCN-NTs was in the range of 145.9±11.5 nm and 67.9±7.5 nm, respectively. Investigation of the defect in carbon nanotubes was determined from Raman spectrum by using the I_D/I_G ratio. It presented that the I_D/I_G ratio of CN-NTs and BCN-NTs were 1.10 and 1.57, respectively. The elemental analysis of the carbon nanotubes were performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for confirming that CN-NTs and BCN-NTs contained nitrogen and/or boron atoms. The CN-NTs from XPS results presented two different types of nitrogen incorporation in the nanotubes structure as Quaternary nitrogen and Graphitic-N-O, while the BCN-NTs exhibited low boron content and having many types of nitrogen incorporation in nanotubes. The NO₂gas detection on CN-NTs showed faster response time and the complete recovery. The defect structure of nanotubes from nitrogen atoms doped in carbon nanotubes may response for the improved NO₂ adsorption on CN-NTs. On the other hand, BCN-NTs showed long response time to NO₂ and incomplete recovery because boron atoms dopant has strong binding to NO₂ molecules. Therefore, the synthesis of BCN-NTs is still needed to study for increased quantity of boron atoms and controlled compositions of element in appropriate ratio in the future work.

References

Adjizian, J. J., Leghrib, R., Koos, A. A., Suarez-Martinez, I., Crossley, A., Wagner, P., ... & Ewels, C. P. (2014). Boron-and nitrogen-doped multi-wall carbon nanotubes for gas detection. Carbon, 66, 662-673.

Artyushkova, K., Kiefer, B., Halevi, B., Knop-Gericke, A., Schlogl, R., & Atanassov, P. (2013). Density functional theory calculations of XPS binding energy shift for nitrogen-containing graphene-like structures. Chemical Communications, 49(25), 2539-2541.

Bai, L., & Zhou, Z. (2007). Computational study of B-or N-doped single-walled carbon nanotubes as NH 3 and NO 2 sensors. Carbon, 45(10), 2105-2110.

Elrouby, M. (2013). Electrochemical applications of carbon nanotube. Journal of Nanotechnology & Advanced Materials, 1, 23-38.

Kaushik, B. K., & Majumder, M. K. (2015). Carbon Nanotube Based VLSI Interconnects. New Delhi: Springer India.

Kelemen, S. R., Gorbaty, M. L., & Kwiatek, P. J. (1995). Quantification of nitrogen forms in coals. Energeia, 6, 1-5.

Leghrib, R., Felten, A., Pireaux, J. J., & Llobet, E. (2011). Gas sensors based on doped-CNT/SnO 2 composites for NO 2 detection at room temperature. Thin Solid Films, 520(3), 966-970.

Lijima, S. (1991). Helical microtubules of graphitic carbon. Nature, 354, 56-58.

Yang, Y., Zhang, Z. F., Kan, K., Ge, Y. L., Sun, Y. L. & Shi, K. Y. (2013). Preparation and characterization of BCN nanotubes and their sensitivity to NOx at room temperature. Advanced Materials Research, 616-618, 1778-1782.