Efficient detection of 45 ppb ammonia at room temperature using Ni-doped CeO2 octahedral nanostructures

八面体 检出限 兴奋剂 纳米结构 吸附 带隙 空位缺陷 分子 解吸 材料科学 化学 分析化学(期刊) 纳米技术 环境化学 结晶学 物理化学 光电子学 晶体结构 有机化学 色谱法
作者
Rinku Paul,Nikhilesh Maity,Biswajit Das,Seyedeh Sadrieh Emadian,A. Kumar,S. Krishnamurthy,Abhishek K. Singh,Ranajit Ghosh
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.02.080
摘要

To meet the requirements in air quality monitors for the public and industrial safety, sensors are required that can selectively detect the concentration of gaseous pollutants down to the parts per million (ppm) and ppb (parts per billion) levels. Herein, we report a remarkable NH3 sensor using Ni-doped CeO2 octahedral nanostructure which efficiently detects NH3 as low as 45 ppb at room temperature. The Ni-doped CeO2 sensor exhibits the maximum response of 42 towards 225 ppm NH3, which is ten-fold higher than pure CeO2. The improved sensing performance is caused by the enhancement of oxygen vacancy, bandgap narrowing, and redox property of CeO2 caused by Ni doping. Density functional theory confirms that O vacancy with Ni at Ce site (VONiCe) augments the sensing capabilities. The Bader charge analysis predicts the amount of charge transfer (0.04 e) between the Ni-CeO2 surface and the NH3 molecule. As well, the high negative adsorption energy (≈750 meV) and lowest distance (1.40 Å) of the NH3 molecule from the sensor surface lowers the detection limit. The present work enlightens the fabrication of sensing elements through defect engineering for ultra-trace detection of NH3 to be useful further in the field of sensor applications.
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