Development of highly sensitive and selective VOC sensing technology based on the dynamic adosorption/combustion behavior

基于动态吸附/燃烧行为的高灵敏选择性VOC传感技术的开发

• 批准号: 21H01626
• 负责人: 兵頭 健生
• 金额: $ 11.56万
• 依托单位: Nagasaki University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01626/
• 关键词: 吸着燃焼式ガスセンサ; 触媒活性; 揮発性有機化合物; 膜厚制御; ガスセンサ; 吸着燃焼式; ダイナミック応答; 触媒; 酸化活性; アセトン; エタノール; 吸着脱離特性; 生体ガス; 吸着・脱離

本年は，種々の量のPtを担持したγアルミナ触媒を用いた吸着燃焼式ガスセンサについて，様々なVOCに対する応答特性を評価するとともに、ガス選択性の向上につながるセンサ作動条件を探索することを目的とした。まず，エタノールに対するダイナミック応答 (積分値，IDRと表記) は他よりも明らかに大きな値であった。これは，エタノールは他のVOCに比べてベース温度 (150℃) での吸着量が多いためと考えられる。一方，スタティック応答 (積分値，ISRと表記) はトルエンが最大値を示した。これは，トルエンは触媒の表面上で酸化されたときの燃焼によって生じる温度変化が大きかったためと考えられる。以上の結果より，センサの作動条件をIDRとISRの結果をもとに最適化することで選択的なガス検知の可能性が示唆された。そこで，ベース温度が応答特性に与える影響を評価した。エタノールに対するIDRはベース温度が150℃の場合に極めて大きな値を示したが，200℃以上にすると大きくIDRが低下した。一方，アセトンに対するIDRは200℃で，トルエンやキシレンなど芳香族化合物に対するIDRは250℃で，それぞれ最大値を示した。ISRは，いずれのガスにおいてもベース温度による影響が小さかった。これは，今回の作動条件ではパルス温度がすべて等しかったためである。その中でも，トルエンに対するISRは安定して高い値を示すことが明らかとなった。このように，VOCの種類の違いによってIDRとISRの応答挙動に異なる特徴がみられたことから，この違いを利用することでVOCの選択的な検出が可能と考えられた。なお，エタノールを含む各種アルコールに対する詳細な応答挙動も合わせて評価できた。担持する貴金属の種類（Pt or Pd）が各アルコール応答値に大きく影響することを明らかにできた。

今年，我们将评估使用负载不同量 Pt 的γ氧化铝催化剂的吸附燃烧气体传感器对各种 VOC 的响应特性，并探索可提高气体选择性的传感器操作条件。首先，对乙醇的动态响应（积分值，表示为IDR）明显大于其他。这被认为是因为乙醇在基础温度 (150°C) 下比其他 VOC 吸附更多。另一方面，甲苯的静态响应（积分值，表示为ISR）显示出最大值。这被认为是由于甲苯在催化剂表面被氧化时燃烧引起的较大温度变化所致。上述结果表明，根据 IDR 和 ISR 结果优化传感器工作条件，可以实现选择性气体检测。因此，我们评估了基础温度对响应特性的影响。当基础温度为150°C时，乙醇的IDR显示出极大的值，但当基础温度为200°C或更高时，IDR显着下降。另一方面，丙酮的IDR在200℃时达到最大值，甲苯、二甲苯等芳香族化合物的IDR在250℃时达到最大值。对于所有气体，ISR 受基准温度的影响较小。这是因为在当前操作条件下脉冲温度都是相同的。其中，甲苯的ISR显示出稳定且高的值。这样，根据VOC的类型，在IDR和ISR的响应行为中观察到不同的特征，并且认为可以通过利用这些差异来选择性地检测VOC。还可以评估对包括乙醇在内的各种酒精的详细反应行为。结果表明，负载的贵金属类型（Pt或Pd）对各醇响应值影响很大。

项目成果

Effects of catalytic combustion behavior and adsorption/desorption properties on ethanol-sensing characteristics of adsorption/combustion-type gas sensors

催化燃烧行为和吸附/解吸特性对吸附/燃烧型气体传感器乙醇传感特性的影响

• DOI: 10.1080/21870764.2021.1933836
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Asian Ceramic Societies
• 影响因子: 2.3
• 作者: Takeo Hyodo;Takeru Hiura;Kazunori Nagae;Taro Ueda;and Yasuhiro Shimizu
• 通讯作者: and Yasuhiro Shimizu

セラミックスの微細構造・組成精密制御法の構築と化学センサデバイスの高機能化

建立精确控制陶瓷精细结构和成分并提高化学传感器装置功能的方法

• 发表时间: 2022
• 作者: S. Kanazawa;Y. Oaki;H. Imai;兵頭健生
• 通讯作者: 兵頭健生

機能性セラミックスの微細構造・組成制御とガスセンサデバイスへの応用

功能陶瓷的微观结构和成分控制及其在气体传感器器件中的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: 寺西 貴志，山中 亮治，近藤 真矢，岸本 昭，三村 憲一，加藤 一実，安原 颯，安井 伸太郎;兵頭健生
• 通讯作者: 兵頭健生

Development of advanced gas-sensing devices based on the microstructural and compositional controls of various promising materials and their different operating mechanism

基于各种有前景材料的微观结构和成分控制及其不同的操作机制开发先进的气敏器件

• DOI: 10.2109/jcersj2.22071
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Ceramic Society of Japan
• 影响因子: 1.1
• 作者: 上原雅人;水谷涼一;安岡慎之介;清水荘雄;山田浩志;秋山守人;舟窪浩;Takeo Hyodo
• 通讯作者: Takeo Hyodo

吸着燃焼式マイクロガスセンサ: 触媒担体の組成がVOC検知特性に及ぼす効果

吸附式燃烧微型气体传感器：催化剂载体成分对VOC检测特性的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: Hiroshi Funakubo;Shinnosuke Yasuoka;Ryoichi Mizutani;Takahisa Shiraishi;Akinori Tateyama;Takao Shimizu;Masato Uehara;Hiroshi Yamada;Morito Akiyama;Yoshiomi Hiranaga;and Yasuo Cho;松浦侑馬，別府晃拓，上田太郎，笹原隆彦，鎌田 海，兵頭健生，清水康博
• 通讯作者: 松浦侑馬，別府晃拓，上田太郎，笹原隆彦，鎌田 海，兵頭健生，清水康博