Виведіть формулу для розрахунку концентрації ко-адсорбованих на поверхні метал-оксиду молекул кисню та редокс-газу

У випадку спільної адсорбції кисню та газів, які можуть взаємодіяти з киснем (молекули органіки, СО, Н₂ тощо), треба враховувати типи можливих хімічних реакцій. Для спрощення аналізу будемо вважати, що при адсорбції оксидуючого агента кисню можливе утворення двох типів негативних іонів О^– та O₂^‑, проте внаслідок більшої активності О^– ніж O₂^‑ редокс-реакція буде відбуватися саме з іонами О^–. Експериментально отримано, що каталітично активна форма О^– є домінантною при температурах Т> 80⁰C на ZnO, T>400⁰C на TiO2 та T>150⁰C на SnO₂. Тому для цих трьох оксидів низькотемпературні (які працюють при кімнатних температурах) хімічні сенсори не є ефективними.

Для поверхні без каталізатора можна записати можливі реакції:

(2.20)

де k₁, k_–1, k₂, k₃ – константи швидкості для відповідних реакцій, R – редокс-агент, n_s – концентрація електронів на поверхні. Тоді легко отримати зміну концентрації [О^–] та [O₂^‑]:

(2.21)

За рівноважних умов

враховуючи, що Ns=[О^–]+[O₂^‑]:

(2.22)

Із формули (2.22) випливає, якщо змінюється концентрація [R], то змінюється густина поверхневих станів Ns і концентрація вільних електронів на поверхні ns. Фактично рівняння (2.22) встановлює залежність концентрації поверхневих зарядів ns від концентрації редокс-газу (наприклад, горючого газу – водню, вуглеводнів тощо) [R], а за допомогою рівнянь (2.15), (2.16) і (2.19) встановлюється взаємозв'язок між зміною опору та концентрацією газу [R].

Більш складний випадок реалізується коли редокс-агент взаємодіє з киснем ґратки метал-оксидного напівпровідника, створюючи донорні кисневі вакансії:

(2.23)

де V₀- є кисневою іонною вакансією. Утворення мобільних дефектів типу кисневих вакансій веде до дрейфу параметрів сенсора із часом і тому для покращення стабільності параметрів газових сенсорів намагаються зменшити вірогідність перебігу процесів (2.23).

Дата добавления: 2015-01-03