Development of metal oxide-based gas sensors for the detection of biomarkers in rice aging - Université de Technologie de Belfort-Montbeliard Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Development of metal oxide-based gas sensors for the detection of biomarkers in rice aging

Développement de capteur de gaz à base d'oxydes métalliques pour la détection de biomarqueurs de vieillissement du riz

Jinyong Xu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1396617
  • IdRef : 279119089

Résumé

This study aims to develop high-performance metal oxide-based gas sensors for room-temperature detection of biomarkers in rice aging by incorporating oxygen vacancies. Three metal oxides, namely W18O49, CeO2-x, and ZnO/ZnSnO3 are successfully fabricated through strategies that combined a simple hydrothermal method with different surface modifications including noble metal loading, and structural regulation. The morphologies and phase compositions of the obtained metal oxides are investigated using a field emission-scanning electron microscope (FE-SEM), X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and X-ray photoelectron spectroscope (XPS). The room-temperature gas-sensing performance, including sensitivity, response/recovery time, selectivity, and stability, of these metal oxides in detecting biomarkers in rice aging, is comprehensively investigated to explore the influence of Ru loading, post-treatment, and hydrogen flow on the enhanced gas-sensing properties, represented by the reduction of working temperature and the improvement of sensitivity. The room-temperature gas-sensing mechanism in the analysis of the characteristic biomarker is proposed. Furthermore, the practicability of the developed gas sensors is verified by two varieties of rice (Japonica rice and Indica rice).Material characterizations reveal that metal oxides with different morphologies and structures are successfully prepared by the hydrothermal and solution precursor plasma spray (SPPS) methods. Their microstructure evolutions are precisely manipulated by Ru incorporation, annealing under different atmospheres, and adjusting the flow of hydrogen, respectively. The gas-sensing performance investigations exhibit that the obtained metal oxides displayed excellent room-temperature gas-sensing properties, including high sensitivity, rapid response/recovery time, and low detection limit, towards the characteristic biomarkers such as nonanal, linalool, and 2-Undecanone. The enhanced room-temperature gas-sensing performance is chiefly due to the synergistic effects of their unique structures, and the incorporation of oxygen vacancies. In addition, the experimental results show that Ru-loaded W18O49 and CeO2-x annealed under the atmosphere (5%H2+95%Ar) may be able to distinguish Indica rice from Japonica rice. Conversely reversal conducting behaviors can be observed when ZnO/ZnSnO3 fabricated with the hydrogen flow of 3 L/min is exposed to two varieties of rice. Most importantly, SPPS stands out in solving the limitations, such as slow particle growth and insufficient oxygen vacancies in crystals, which exists in the above-stated methods (noble metal loading and post-treatment). Because of its intrinsic characteristics, SPPS can effectively incorporate highly concentrated oxygen vacancies into metal oxides, and also construct heterostructures due to the different volatilization rates of metal sources, especially in the fabrication of ternary metal oxides, collectively enhancing the gas-sensing properties of metal oxides.
Cette étude vise à développer des capteurs de gaz à haute performance à base d'oxydes métalliques pour la détection à température ambiante de biomarqueurs générés dans le processus de vieillissement du riz. Trois oxydes métalliques ayant des défauts structuraux tels que W18O49, CeO2-x et ZnO/ZnSnO3 ont été préparés avec succès grâce à une stratégie combinant une méthode hydrothermale simple avec différentes modifications de surface, y compris le dopage avec métaux précieux et le conditionnement structurel. La topographie et la composition de phase des oxydes métalliques obtenus ont été étudiées à l'aide de la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FE-SEM), de la Diffraction des rayons X (DRX), de la microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) et du spectromètre photoélectronique à rayons X (XPS). Les performances de détection des gaz à température ambiante, notamment la sensibilité, le temps de réponse/récupération, la sélectivité et la stabilité de ces oxydes métalliques dans la détection des biomarqueurs générés lors du vieillissement du riz, ont été étudiées en profondeur afin d'explorer l'influence du dopage en Ru, du post-traitement et du débit d'hydrogène sur les propriétés de détection de gaz, se traduisant par la réduction de la température de fonctionnement et l'amélioration de la sensibilité.La caractérisation du matériau a montré que des oxydes métalliques de morphologie et de structure différentes ont été préparés avec succès par hydrothermie et projection plasma de solution de précurseurs (SPPS). Leur évolution microstructurale est contrôlée avec précision respectivement par l’incorporation de Ru, le recuit sous différentes atmosphères et la régulation du débit d'hydrogène. L'étude des performances de détection de gaz a montré que les oxydes métalliques obtenus présentaient d'excellentes propriétés de détection de gaz à température ambiante pour des biomarqueurs caractéristiques tels que le nonaldéhyde, le Linalol et la 2 - undécanone, incluant une sensibilité élevée, des temps de réponse/récupération rapides et une faible limite de détection. L'amélioration des propriétés de détection de gaz à température ambiante est principalement due à l'effet synergique de leur structure unique et à l'incorporation de défauts, y compris les lacunes en oxygène et les défauts cristallins. De plus, les résultats expérimentaux montrent que le recuit atmosphérique (5%H2+95%Ar) du W18O49 et du CeO2 dopé en Ru permet de différencier le riz Indica du riz Japonic. Alors que ZnO/ZnSnO3, préparé avec un débit d'hydrogène de 3L/min, est exposé aux deux variétés de riz, un comportement de conductivité inverse est observé. Plus important encore, la projection plasma de solution de précurseur (SPPS) se démarque en résolvant les limitations, telles que la croissance lente des particules et l'insuffisance des défauts dans le cristallin, qui existaient dans les méthodes mentionnées ci-dessus (dopage de métaux nobles et post-traitement). Grâce à ses propriétés intrinsèques, le SPPS permet d'introduire efficacement des défauts très concentrés dans les oxydes métalliques, mais aussi de construire des hétérostructures grâce aux différents taux de volatilisation des sources métalliques, en particulier dans la fabrication d'oxydes métalliques ternaires, renforçant conjointement les propriétés de détection de gaz des oxydes métalliques.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04629912 , version 1 (01-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04629912 , version 1

Citer

Jinyong Xu. Development of metal oxide-based gas sensors for the detection of biomarkers in rice aging. Other. Université Bourgogne Franche-Comté; Yangzhou University (Chine) (@Yangzhou University (Chine)), 2024. English. ⟨NNT : 2024UBFCA007⟩. ⟨tel-04629912⟩
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