WO3/CuWO4 nanocomposite thin films for humidity resilient acetone gas sensing

Abstract

We demonstrate a high-performing and selective acetone gas sensor based on WO3/CuWO4 nanocomposites produced by sequentially sputter-deposited WO3 thin films and CuO nanoparticles, engineered to reduce the humidity interference. By optimizing deposition order and layer thicknesses, we harnessed synergistic p-n/n-n heterojunctions and the formation of a catalytic CuWO4 ternary phase. The best performing configuration (20 nm of tungsten oxide film on top of nanoparticles) exhibits a high response (S = 23) to 10 ppm acetone at 300 °C, fast response in dry/humid conditions (38 s/58 s), and low detection limit (0.6 ppm). More importantly, the sensor exhibited > 95 % retention of its response in 90 % relative humidity compared to a loss of >50 % for pristine WO3. The reduced humidity interference is assigned to heterojunction formation at the WO3/CuWO4 interface, Lewis acid sites that allow for acetone selective adsorption, and bulk-dominated conduction. This noble-metal-free acetone sensor overcomes a known shortcoming of metal oxide-based sensors, enabling accurate acetone detection in humid environments for breath-based disease diagnosis (e.g., diabetes) and industrial safety monitoring.

Představujeme vysoce výkonný a selektivní senzor acetonu založený na nanokompozitech WO3/CuWO4, vyrobených postupně naprašováním tenkých vrstev WO3 a nanočástic CuO, navržených tak, aby se snížilo rušení vlhkostí. Optimalizací pořadí nanášení a tloušťky vrstev jsme využili synergické p-n/n-n heteropřechody a tvorbu katalytické ternární fáze CuWO4. Nejvýkonnější konfigurace (20 nm vrstvy oxidu wolframu na nanočásticích) vykazuje vysokou odezvu (S = 23) na 10 ppm acetonu při 300 °C, rychlou odezvu v suchých/vlhkých podmínkách (38 s/58 s) a nízký detekční limit (0,6 ppm). A co je důležitější, sensor vykazoval více než 95% retenci své odezvy při 90% relativní vlhkosti ve srovnání se ztrátou více než 50 % u čistého WO3. Snížené rušení vlhkostí je připisováno tvorbě heteropřechodů na rozhraní WO3/CuWO4, Lewisovým kyselým centrům, která umožňují selektivní adsorpci acetonu, a objemově dominantnímu vedení. Tento acetonový senzor bez obsahu ušlechtilých kovů překonává známý nedostatek senzorů na bázi oxidů kovů a umožňuje přesnou detekci acetonu ve vlhkém prostředí pro diagnostiku onemocnění na základě dechu (např. cukrovky) a monitorování bezpečnosti práce.