بررسی خواص حسگری نانولوله کربنی (0و8) آرایش یافته با اتم نیکل در مواجه با متان در حضور اکسیژن محیط

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

گروه مهندسی برق، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران

چکیده

در مقاله حاضر با استفاده از نظریه تابعی چگالی به بررسی تأثیر آرایش‌دهی نانولوله‌کربنی (0و8) با اتم نیکل در بهبود خواص حسگری آن نسبت به گاز متان پرداخته شده است. با توجه به اینکه حسگرهای گاز عمدتا در محیط پایه هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند، کلیه شبیه‌سازی‌ها با در نظر گرفتن اکسیژن هوا به عنوان یکی از گازهای موجود در هوا نیز انجام گرفته است. جذب متان بر روی نانولوله‌کربنی آرایش یافته با اتم نیکل تأثیر محسوسی در گاف انرژی، تابع کار و انتقال بار بین نانولوله و متان دارد که نشان دهنده پتانسیل این فلز در بهبود خواص حسگری نانولوله‌کربنی نسبت به گاز متان است. مقایسه نتایج مربوط به جذب متان بر روی نانولوله‌کربنی آرایش یافته با نیکل با در نظر گرفتن تأثیر اکسیژن هوا نشان می‌دهد که، در حالی‌که جذب متان بر روی نانولوله‌کربنی آرایش یافته با نیکل میتواند گاف انرژی و تابع کار را به ترتیب به میزان 32 و 36/2% تغییر دهد با در نظر گرفتن تأثیر اکسیژن هوا در انجام شبیه‌سازی‌ها این مقادیر به 66/ 16 و 34/2 % کاهش می‌یابد. نتایج به دست آمده اهمیت در نظر گرفتن اکسیژن موجود در هوا در شبیه‌سازی حسگرهای گاز مبتنی بر نانولوله‌کربنی را به‌طور مشخص بیان می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of methane sensing properties of (0,8) single wall carbon nanotube decorated with nickel atoms in the presence of ambient oxygen

نویسندگان [English]

  • Zahra Karami Horastani
  • Esmaeil Dabiri
Department of Electrical Engineering, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Using density functional theory, the effect of nickel decoration of (8,0) single-wall carbon nanotube (SWCNT) has been investigated on improving its sensing properties to methane. Since gas sensors are mainly used in the air environment, all simulations have been performed by considering ambient oxygen as one of the gases in the air. The results show that nickel decoration significantly increases the adsorption energy of methane on the carbon nanotube. The bandgap and work function of the Ni-SWCNT are significantly changed after methane adsorption, which indicates the potential of this metal to improve the sensory properties of carbon nanotubes relative to methane. Investigation of methane adsorption on nickel decorated SWCNT considering the effect of ambient oxygen shows that, while methane adsorption on Ni-SWCNT can reduce the bandgap and work function by 32% and 2.36% respectively, these values are reduced to 16.66 % and 2.34% by considering the effect of ambient oxygen. A comparison of the results shows that nickel decoration of SWCNT has more improvement in the sensory properties of SWCNT to methane gas in the vacuum-based environment rather than air atmosphere. The results also clearly indicate the importance of considering ambient oxygen in the simulation of carbon nanotube-based gas sensors.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Density functional theory
  • Methane Gas Sensor
  • Nickel
  • Carbon nanotube
[1] M. van den Bossche, N.T. Rose, S.F.J. De Wekker, Potential of a low-cost gas sensor for atmospheric methane monitoring, Sensors and Actuators B: Chemical 238 (2017) 501-509. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.07.092
[2] S. Iijima, T. Ichihashi, Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter, nature 363 (1993) 603-605. https://doi.org/10.1038/363603a0
[3] P. Liu, J. Liang, R. Xue, Q. Du, M. Jiang, Ruthenium decorated boron-doped carbon nanotube for hydrogen storage: A first-principle study, International Journal of Hydrogen Energy 44 (2019) 27853-27861. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.019
[4] A. Maiti, Energetic stability of hydrogen-chemisorbed carbon nanotube structures, Chemical Physics Letters 508 (2011) 107-110. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2011.04.020
[5] M. Mohan, V.K. Sharma, E.A. Kumar, V. Gayathri, Hydrogen storage in carbon materials—A review, Energy Storage 1 (2019) e35.     https://doi.org/10.1002/est2.35
[6] M. Han, J.K. Kim, J. Lee, H.K. An, J.P. Yun, S.-W. Kang, D. Jung, Room-temperature hydrogen-gas sensor based on carbon nanotube yarn, Journal of nanoscience and nanotechnology 20 (2020) 4011-4014. https://doi.org/10.1166/jnn.2020.17607
[7] M.N. Norizan, M.H. Moklis, S.Z.N. Demon, N.A. Halim, A. Samsuri, I.S. Mohamad, V.F. Knight, N. Abdullah, Carbon nanotubes: functionalisation and their application in chemical sensors, RSC Advances 10 (2020) 43704-43732. https://doi.org/10.1039/D0RA09438B
[8] Y. Wang, J.T. Yeow, A review of carbon nanotubes-based gas sensors, Journal of sensors 2009 (2009). https://doi.org/10.1155/2009/493904
[9] A.A. Kuznetzov, S.B. Lee, M. Zhang, R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, Electron field emission from transparent multiwalled carbon nanotube sheets for inverted field emission displays, Carbon 48 (2010) 41-46. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.08.009
[10] P. Serp, M. Corrias, P. Kalck, Carbon nanotubes and nanofibers in catalysis, Applied Catalysis A: General 253 (2003) 337-358. https://doi.org/10.1016/S0926860X(03)00549-0
[11] P.B. Agarwal, B. Alam, D.S. Sharma, S. Sharma, S. Mandal, A. Agarwal, Flexible NO2 gas sensor based on single-walled carbon nanotubes on polytetrafluoroethylene substrates, Flexible and Printed Electronics 3 (2018) 035001.  https://doi.org/10.1088/20588585/aacc8f
[12] L. Camilli, M. Passacantando, Advances on sensors based on carbon nanotubes, Chemosensors 6 (2018) 62. https://doi.org/10.3390/chemosensors6040062
[13] S. Kumar, V. Pavelyev, P. Mishra, N. Tripathi, A review on сhemiresistive gas sensors based on carbon nanotubes: device and technology transformation, Sensors and Actuators A: Physical 283 (2018) 174-186. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.09.061
[14] A. Abdelhalim, M. Winkler, F. Loghin, C. Zeiser, P. Lugli, A. Abdellah, Highly sensitive and selective carbon nanotube-based gas sensor arrays functionalized with different metallic nanoparticles, Sensors and Actuators B: Chemical 220 (2015) 1288-1296. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.06.138
[15] J. Casanova-Cháfer, E. Navarrete, X. Noirfalise, P. Umek, C. Bittencourt, E. Llobet, Gas sensing with iridium oxide nanoparticle decorated carbon nanotubes, Sensors 19 (2019) 113. https://doi.org/10.3390/s19010113
[16] A. Shalabi, M. Assem, S.A. Aal, K. Soliman, Magnetic and binding properties of Co-doped single-walled carbon nanotubes: a first principles study, Journal of Nanoparticle Research 14 (2012). https://doi.org/10.1007/s11051-012-0892-7
[17] F.K. Fotooh, M. Nayeri, Methane adsorption on the surface of metal (Fe, Ni, Pd) decorated SWCNT: A density functional theory (DFT) study, Surface Science 713 (2021) 121913. https://doi.org/10.1016/j.susc.2021.121913          
[18] S.-I. Moon, K.-K. Paek, Y.-H. Lee, H.-K. Park, J.-K. Kim, S.-W. Kim, B.-K. Ju, Bias-heating recovery of MWCNT gas sensor, Materials Letters 62 (2008) 2422-2425. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.12.027
[19] I. Sayago, H. Santos, M.C. Horrillo, M. Aleixandre, M.J. Fernández, E. Terrado, I. Tacchini, R. Aroz, W.K. Maser, A.M. Benito, Carbon nanotube networks as gas sensors for NO2 detection, Talanta 77 (2008) 758-764. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2008.07.025
[20] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Journal of physics: Condensed matter 21 (2009) 395502. https://doi.org/10.1088/09538984/21/39/395502
[21] J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple, Physical review letters 77 (1996) 3865. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
[22] S. Grimme, Semiempirical GGA‐type density functional constructed with a long‐range dispersion correction, Journal of computational chemistry 27 (2006) 1787-1799.             https://doi.org/10.1002/jcc.20495