Effects of Chlorine Substitution and Nanotube Oxidation on Ammonia Detection in Zinc Phthalocyanine-SWCNT Hybrid Sensors: Experimental Studies and Quantum Chemical Calculations : научное издание
Библиографическое описание:Effects of Chlorine Substitution and Nanotube Oxidation on Ammonia Detection in Zinc Phthalocyanine-SWCNT Hybrid Sensors: Experimental Studies and Quantum Chemical Calculations : научное издание / Victoria N. Ivanova, Pavel O. Krasnov, Alexander M. Makarenko [et al.]. - Текст : непосредственный // Макрогетероциклы. - 2026. - Т. 19, № 1. - P. 41-50. - The study was funded by the Russian Science Foundation (project No 24-73-10058). - ISSN 1998-9539. - ISSN 2713-1092, DOI 10.6060/mhc256889k.
Аннотация:The development of highly sensitive and selective room-temperature ammonia sensors remains a critical challenge for environmental and biomedical applications. We report chemiresistive sensors based on hybrid materials formed by non-covalent functionalization of pristine and carboxylated single-walled carbon nanotubes (SWCNTs and SWCNT-COOH) with chlorinated zinc phthalocyanines, specifically, tetra- (ZnPcCl<sub>4</sub>) and octa-chloro (ZnPcCl<sub>8</sub>) derivatives and unsubstituted ZnPc for comparative purposes. Comprehensive characterization by FTIR, Raman spectroscopy and ICP-AES confirmed successful hybrid formation and revealed that oxidation of SWCNTs significantly enhances phthalocyanine loading via additional hydrogen-bonding interactions. All hybrid layers demonstrated reversible chemiresistive sensor response to NH<sub>3</sub> (1-50 ppm), with the highest performance observed for the hybrids with ZnPcCl<sub>4</sub>. Notably, SWCNT-COOH/ZnPcCl<sub>4</sub> exhibited a 2-3-fold higher sensor response and a lower limit of detection (0.3 ppm) compared to the hybrids with pristine SWCNT (0.5 ppm), attributable to greater phthalocyanine coverage. Humidity and selectivity studies have revealed the following features: while SWCNT-COOH-based hybrids exhibit excellent sensitivity under dry conditions, their performance is affected by signal bias at high relative humidity (>40%). In contrast, SWCNT/ZnPcCl<sub>4</sub> maintains stable characteristics. These findings highlight the impact of phthalocyanine substitution and carbon nanotube type on sensor performance, providing a foundation for designing effective ammonia sensors.
Разработка высокочувствительных и селективных датчиков на аммиак остается важной задачей для экологических и биомедицинских применений. В данной работе представлены адсорбционно-резистивные сенсоры на основе гибридных материалов, полученных нековалентной функционализацией исходных и карбоксилированных одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT и SWCNT-COOH) хлор-замещенными фталоцианинами цинка - тетра- (ZnPcCl₄) и октахлорированными (ZnPcCl₈) производными, а также незамещённым фталоцианином цинка (ZnPc) для сравнения. Комплексное исследование с использованием ИК- и КР-спектроскопии и элементного анализа подтвердило успешное образование гибридных материалов и показало, что окисление SWCNT значительно повышает содержание фталоцианина в гибридном материале за счет образования дополнительных водородных связей. Слои полученных гибридных материалов демонстрировали обратимый сенсорный отклик на NH₃ (1-50 ppm), причем наилучшие характеристики были достигнуты у гибридов с ZnPcCl₄. Обнаружено, что SWCNT-COOH/ZnPcCl₄ показал в 2-3 раза более высокий отклик и более низкий предел обнаружения (0,3 ppm) по сравнению с гибридными материалами на основе исходных SWCNT (0,5 ppm), что обусловлено более высоким содержанием фталоцианина в материале. Исследование влияния влажности и селективности на сенсорный отклик показало, что хотя гибриды на основе SWCNT-COOH демонстрируют высокую чувствительность при низкой влажности, их сигнал искажается при относительной влажности >40%. При этом SWCNT/ZnPcCl₄ сохраняет стабильные сенсорные характеристики. Полученные результаты демонстрируют, как молекулярная структура фталоцианина и тип нанотрубок влияют на чувствительность сенсора. Это открывает новые возможности для разработки высокопроизводительных датчиков аммиака.
Издательство:Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново
Источник:Макрогетероциклы
Выпуск:Т. 19, № 1
Номера страниц:41-50
Держатель оригинала документа:International Research Center of Spectroscopy and Quantum Chemistry of Siberian Federal University, Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS
Количество экземпляров:
Твёрдая копия издания отсутствует в фонде библиотеки
