Тип публикации: статья из журнала
Год издания: 2026
Идентификатор DOI: 10.6060/mhc256889k
Ключевые слова: hybrid materials, metal phthalocyanines, gas sensors, Chemiresistive sensors, ammonia, DFT calculations, гибридные материалы, фталоцианины металлов, газовые сенсоры, адсорбционно-резистивные датчики, аммиак, квантово-химические расчеты
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- (ZnPcCl4) and octa-chloro (ZnPcCl8) 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 NH3 (1-50 ppm), with the highest performance observed for the hybrids with ZnPcCl4. Notably, SWCNT-COOH/ZnPcCl4 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/ZnPcCl4 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.
Журнал: Макрогетероциклы
Выпуск журнала: Т. 19, № 1
Номера страниц: 41-50
ISSN журнала: 19989539
Место издания: Иваново
Издатель: Ивановский государственный химико-технологический университет