Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

邮发代号 80-969

2019 Impact Factor: 3.552

Frontiers of Chemical Science and Engineering  2018, Vol. 12 Issue (1): 94-102   https://doi.org/10.1007/s11705-017-1692-5
  本期目录
Detection of CO2 and O2 by iron loaded LTL zeolite films
Veselina Georgieva1, Richard Retoux2, Valerie Ruaux1, Valentin Valtchev1, Svetlana Mintova1()
1. Laboratoire Catalyse et Spectrochimie (LCS), ENSICAEN, CNRS, Normandy University, 14000 Caen, France
2. Laboratoire de Cristallographie et Sciences des Matériaux (CRISMAT), ENSICAEN, CNRS, Normandy University, 14000 Caen, France
 全文: PDF(475 KB)   HTML
Abstract

Detection of oxygen and carbon dioxide is important in the field of chemical and biosensors for atmosphere and biosystem monitoring and fermentation processes. The present study reports on the preparation of zeolite films doped with iron nanoparticles for detection of CO2 and O2 in gas phase. Pure nanosized LTL type zeolite with monomodal particle size distribution loaded with iron (Fe-LTL) was prepared under hydrothermal condition from colloidal precursor suspensions. The zeolite was loaded with iron to different levels by ion exchange. The Fe-LTL suspensions were used for preparation of thin films on silicon wafers via spin coating method. The reduction of the iron in the zeolite films was carried out under H2 flow (50% H2 in Ar) at 300 °C. The presence of iron nanoparticles is proved by in situ ultra-violet-visible spectroscopy. The properties of the films including surface roughness, thickness, porosity, and mechanical stability were studied. In addition, the loading and distribution of iron in the zeolite films were investigated. The Fe-LTL zeolite films were used to detect O2 and CO2 in a concentration dependent mode, followed by IR spectroscopy. The changes in the IR bands at 855 and 642 cm1 (Fe–O–H and Fe–O bending vibrations) and at 2363 and 2333 cm1 (CO2 asymmetric stretching) corresponding to the presence of O2 and CO2, respectively, were evaluated. The response to O2 and CO2 was instant, which was attributed to great accessibility of the iron in the nanosized zeolite crystals. The saturation of the Fe-LTL films with CO2 and O2 at each concentration was reached within less than a minute. The Fe-LTL films detected both oxygen and carbon dioxide in contrast, to the pure LTL zeolite film.

Key wordszeolite films    detection of CO2 and O2    adsorption
收稿日期: 2017-08-04      出版日期: 2018-02-26
Corresponding Author(s): Svetlana Mintova   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2018, 12(1): 94-102.
Veselina Georgieva, Richard Retoux, Valerie Ruaux, Valentin Valtchev, Svetlana Mintova. Detection of CO2 and O2 by iron loaded LTL zeolite films. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 94-102.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/10.1007/s11705-017-1692-5
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/Y2018/V12/I1/94
Fig.1  
Sample Si /% Al /% K /% Fe /% Chemical composition, ICP
LTL 14.31 5.38 4.97 K10 [Si26Al10O72]
Fe-LTL 13.07 4.81 2.02 2.48 Fe2K8 [Si26Al10O72]
Tab.1  
Fig.2  
Fig.3  
Fig.4  
Sample SBET a) /(m2?g1) SEXT b)/(m2?g1) Vmicc) /(cm3?g1) Vmesod) /(cm3?g1) Vtotale) /(cm3?g1)
LTL 571 295 0.15 0.84 0.99
Fe-LTL 448 139 0.13 0.67 0.80
Tab.2  
Fig.5  
Fig.6  
Fig.7  
Fig.8  
Fig.9  
Fig.10  
1 Diamond D. Principles of chemical and biological sensors. Michigan: Wiley, 1998, 220–290
2 Bein T. Synthesis and applications of molecular sieve layers and membranes. Chemistry of Materials, 1996, 8(8): 1636–1653
https://doi.org/10.1021/cm960148a
3 Mintova S, Mo  S, Bein T. Humidity sensing with ultrathin LTA-type molecular sieve films grown on piezoelectric devices. Chemistry of Materials, 2001, 13(3): 901–905
https://doi.org/10.1021/cm000671w
4 Yang P, Lau  C, Liang J Y,  Lu J Z,  Liu X. Zeolite-based cataluminescence sensor for the selective detection of acetaldehyde. Luminescence, 2007, 22(5): 473–479
https://doi.org/10.1002/bio.987
5 Mintova S, Jaber  M, Valtchev V. Nanosized microporous crystals: Emerging applications. Chemical Society Reviews, 2015, 44(20): 7207–7233
https://doi.org/10.1039/C5CS00210A
6 Bein T, Mintova  S. Zeolites and ordered mesoporous materials: Progress and prospects. Studies in Surface Science and Catalysis, 2005, 157: 263–288
https://doi.org/10.1016/S0167-2991(05)80015-1
7 Mintova S, Bein  T. Microporous films prepared by spin-coating stable colloidal suspensions of zeolites. Advanced Materials, 2001, 13(24): 1880–1883
https://doi.org/10.1002/1521-4095(200112)13:24<1880::AID-ADMA1880>3.0.CO;2-7
8 Leite E, Babeva  T, Ng E P,  Toal V, Mintova  S, Naydenova I. Optical properties of photopolymer layers doped with aluminophosphate nanocrystals. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(39): 16767–16775
https://doi.org/10.1021/jp1060073
9 Valtchev V, Tosheva  L. Porous nanosized particles: Preparation, properties, and applications. Chemical Reviews, 2013, 113(8): 6734–6760
https://doi.org/10.1021/cr300439k
10 Yasuda K E, Visser  J E, Bein  T. Molecular sieve catalysts on microcalorimeter chips for selective chemical sensing. Microporous and Mesoporous Materials, 2009, 119(1-3): 356–359
https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2008.11.009
11 Xu X, Wang  J, Long Y. Zeolite-based materials for gas sensors. Sensors (Basel), 2006, 6(12): 1751–1764
https://doi.org/10.3390/s6121751
12 Lakiss L, Kecht  J, De Waele V,  Mintova S. Copper-containing nanoporous films. Superlattices and Microstructures, 2008, 44(4-5): 617–625
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2007.10.009
13 Thomas S, Bazin  P, Lakiss L,  De Waele V,  Mintova S. In situ infrared molecular detection using palladium-containing zeolite films. Langmuir, 2011, 27(23): 14689–14695
https://doi.org/10.1021/la203075m
14 Huang H, Zhou  J, Chen S,  Zeng L, Huang  Y. A highly sensitive QCM sensor coated with Ag+-ZSM-5 film for medical diagnosis. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2004, 101(3): 316–321
https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.04.001
15 Dubbe A. The effect of platinum clusters in the zeolite micropores of a zeolite-based potentiometric hydrocarbon gas sensor. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2009, 137(1): 205–208
https://doi.org/10.1016/j.snb.2008.11.039
16 Wales D J, Grand  J, Ting V P,  Burke R D,  Edler K J,  Bowen C R,  Mintova S,  Burrows A D. Gas sensing using porous materials for automotive applications. Chemical Society Reviews, 2015, 44(13): 4290–4321
https://doi.org/10.1039/C5CS00040H
17 Fine G F, Cavanagh  L M, Afonja  A, Binions R. Metal oxide semi-conductor gas sensors in environmental monitoring. Sensors (Basel), 2010, 10(6): 5469–5502
https://doi.org/10.3390/s100605469
18 Mohan N, Cindrella  L. Mater. Direct synthesis of Fe-ZSM-5 zeolite and its prospects as efficient electrode material in methanol fuel cell. Materials Science in Semiconductor Processing, 2015, 40: 361–368
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.06.087
19 Yue Y, Liu  H, Yuan P,  Yu C, Bao  X. One-pot synthesis of hierarchical FeZSM-5 zeolites from natural aluminosilicates for selective catalytic reduction of NO by NH3. Scientific Reports, 2015, 5(9270): 1–10
20 Luo L, Dai  C, Zhang A,  Wang J, Liu  M, Song C,  Guo X. Facile synthesis of zeolite-encapsulated iron oxide nanoparticles as superior catalysts for phenol oxidation. RSC Advances, 2015, 5(37): 29509–29512
https://doi.org/10.1039/C5RA02194D
21 Bouazizi N, Ouargli  R, Nousir S,  Slama R B,  Azzouz A. Properties of SBA-15 modified by iron nanoparticles as potential hydrogen adsorbents and sensors. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2015, 77: 172–177
https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2014.10.011
22 Georgieva V, Anfray  C, Retoux R,  Valtchev V,  Valable S,  Mintova S. Iron loaded EMT nanosized zeolite with high affinity towards CO2 and NO. Microporous and Mesoporous Materials, 2016, 232: 256–263
https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2016.06.015
23 Suri K, Annapoorni  S, Sarkar A K,  Tandon R P. Gas and humidity sensors based on iron oxide-polypyrrole nanocomposites. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2002, 81(2-3): 277–282
https://doi.org/10.1016/S0925-4005(01)00966-2
24 Mcdonagh C M, Shields  M, Mcevoy K,  Maccraith B D,  Gouin J F. Optical sol-gel-based dissolved oxygen sensor: Progress towards a commercial instrument. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 1998, 13(1-3): 207–211
https://doi.org/10.1023/A:1008608901645
25 Ishiji T, Chipman  D W, Takahashi  T, Takahashi K. Amperometric sensor for monitoring of dissolved carbon dioxide in seawater. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2001, 76(1-3): 265–269
https://doi.org/10.1016/S0925-4005(01)00580-9
26 Guéguen C, Tortell  P D. High-resolution measurement of southern ocean CO2 and O2/Ar by membrane inlet mass spectrometry. Marine Chemistry, 2008, 108(3-4): 184–194
https://doi.org/10.1016/j.marchem.2007.11.007
27 Higgins C, Wencel  D, Burke C S,  MacCraith B D,  McDonagh C. Novel hybrid optical sensor materials for in-breath O(2) analysis. Analyst (London), 2008, 133(2): 241–247
https://doi.org/10.1039/B716197B
28 Hoelper B M, Alessandri  B, Heimann A,  Behr R, Kempski  O. Brain oxygen monitoring: In-vitro accuracy, long-term drift and response-time of Licox- and Neurotrend sensors. Acta Neurochirurgica, 2005, 147(7): 767–774
https://doi.org/10.1007/s00701-005-0512-8
29 Baldini F, Falai  A, De Gaudio R,  Landi D,  Lueger A,  Mencaglia A,  Scherr D,  Trettnak W. Continuous monitoring of gastric carbon dioxide with optical fibres. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2003, 90(1-3): 132–138
https://doi.org/10.1016/S0925-4005(03)00042-X
30 Čajlaković M,  Bizzarri A,  Ribitsch V. Luminescence lifetime-based carbon dioxide optical sensor for clinical applications. Analytica Chimica Acta, 2006, 573-574: 57–64
https://doi.org/10.1016/j.aca.2006.05.085
31 Wolfbeis O S, Klimant  I, Werner T,  Huber C,  Kosch U,  Krause C,  Neurauter G,  Dürkop A. Set of luminescence decay time based chemical sensors for clinical applications. Sensors and Actuators. B, Chemical, 1998, 51(1-3): 17–24
https://doi.org/10.1016/S0925-4005(98)00181-6
32 Mills A. Oxygen indicators and intelligent inks for packaging food. Chemical Society Reviews, 2005, 34(12): 1003–1011
https://doi.org/10.1039/b503997p
33 Chaix E, Guillaume  C, Guillard V. Oxygen and carbon dioxide solubility and diffusivity in solid food matrices: A review of past and current knowledge. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2014, 13(3): 261–286
https://doi.org/10.1111/1541-4337.12058
34 Ge X, Hanson  M, Shen H,  Kostov Y,  Brorson K,  Frey D D,  Moreira A R,  Rao G. Validation of an optical sensor-based high-throughput bioreactor system for mammalian cell culture. Journal of Biotechnology, 2006, 122(3): 293–306
https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2005.12.009
35 Ge X, Kostov  Y, Rao G. Low-cost noninvasive optical CO2 sensing system for fermentation and cell culture. Biotechnology and Bioengineering, 2005, 89(3): 329–334
https://doi.org/10.1002/bit.20337
36 Mulrooney J, Clifford  J, Fitzpatrick C,  Lewis E. Detection of carbon dioxide emissions from a diesel engine using a mid-infrared optical fibre based sensor. Sensors and Actuators. A, Physical, 2007, 136(1): 104–110
https://doi.org/10.1016/j.sna.2006.11.016
37 Litzelman S J,  Rothschild A,  Tuller H L. The electrical properties and stability of SrTi0.65Fe0.35O3-δ thin films for automotive oxygen sensor applications. Sensors and Actuators. B, Chemical, 2005, 108(1-2): 231–237
https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.10.040
38 Souici A, Wong  K L, De Waele  V, Marignier J L,  Metzger T H,  Keghouche N,  Mintova S,  Mostafavi M. Capturing the formation of sub-nanometer sized CdS clusters in LTL zeolite. Journal of Physical Chemistry C, 2014, 118(12): 6324–6334
https://doi.org/10.1021/jp500185m
39 Hölzl M, Mintova  S, Bein T. Colloidal LTL zeolite synthesized under microwave irradiation. Studies in Surface Science and Catalysis, 2005, 158(5): 11–18
https://doi.org/10.1016/S0167-2991(05)80316-7
40 Lakiss L, Yordanov  I, Majano G,  Metzger T,  Mintova S. Effect of stabilizing binder and dispersion media on spin-on zeolite thin films. Thin Solid Films, 2010, 518(8): 2241–2246
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.179
41 Lowell S. Characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area, Pore Size and Density.  Netherlands: Springer, 2004, 58–81
42 Sing K S W. Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity. Pure and Applied Chemistry, 1985, 57(4): 603–619
https://doi.org/10.1351/pac198557040603
43 Das D, Ravichandran  G, Chakrabarty D K,  Piramanayagam S N,  Shringi S N. Selective synthesis of light alkenes from carbon monoxide and hydrogen on silicalite supported iron-manganese catalysts. Applied Catalysis A, General, 1993, 107(1): 73–81
https://doi.org/10.1016/0926-860X(93)85116-7
44 Guo L, Huang  Q, Li X,  Yang S. Iron nanoparticles: Synthesis and applications in surface enhanced Raman scattering and electrocatalysis. Physical Chemistry Chemical Physics, 2001, 3(9): 1661–1665
https://doi.org/10.1039/b009951l
45 Bordiga S, Buzzoni  R, Geobaldo F,  Lamberti C,  Giamello E,  Zecchina A,  Leofanti G,  Petrini G,  Tozzola G,  Vlaic G. Structure and reactivity of framework and extraframework iron in Fe-silicalite as investigated by spectroscopic and physicochemical methods. Journal of Catalysis, 1996, 158(2): 486–501
https://doi.org/10.1006/jcat.1996.0048
46 Pérez-Ramírez J,  Groen J C,  Brückner A,  Kumar M S,  Bentrup U,  Debbagh M N,  Villaescusa L A. Evolution of isomorphously substituted iron zeolites during activation: Comparison of Fe-beta and Fe-ZSM-5. Journal of Catalysis, 2005, 232(2): 318–334
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2005.03.018
47 Mintova S, Bein  T. Microporous films prepared by spin-coating stable colloidal suspensions of zeolites. Advanced Materials, 2001, 13(24): 1880–1883
https://doi.org/10.1002/1521-4095(200112)13:24<1880::AID-ADMA1880>3.0.CO;2-7
48 Mintova S, Valtchev  V, Konstantinov L. Adhesivity of molecular sieve films on metal substrates. Zeolites, 1996, 17(5-6): 462–465
https://doi.org/10.1016/S0144-2449(96)00092-9
49 Andrews L, Chertihin  G V, Citra  A, Neurock M. Reactions of laser-ablated iron atoms with N2O, NO, and O2 in condensing nitrogen. Infrared spectra and density functional calculations of ternary iron nitride oxide molecules. Journal of Physical Chemistry, 1996, 100(27): 11235–11241
https://doi.org/10.1021/jp960674p
50 Reiff W M, Baker  W A, Erickson  N E. Binuclear, oxygen-bridged complexes of iron(III). New iron (III)-2,2′,2"-terpyridine complexes. Journal of the American Chemical Society, 1968, 90(18): 4794–4800
https://doi.org/10.1021/ja01020a008
51 Dalla Betta R A,  Garten R L,  Boudart M. Infrared examination of the reversible oxidation of ferrous ions in Y zeolite. Journal of Catalysis, 1976, 41(1): 40–45
https://doi.org/10.1016/0021-9517(76)90198-6
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed