zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2019-85-10-5-11zldm-1078Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISАнализ наноматериалов на основе оксида индия и оксида цинка методом атомно-абсорбционной спектрометрии высокого разрешения с электротермической атомизацией и источником непрерывного спектраAnalysis of nanomaterials based on indium and zinc oxides by high resolution continuum source atomic absorption spectrometryЕськинаВ. В.EskinaV. V.

Василина Витальевна Еськина

119049, Москва, Ленинский проспект, д. 4; 119017, Москва, Большой Толмачевский переулок, д. 5 стр.

Vasilina V. Eskina

4 Leninskiy prospect, Moscow, 119049; 5 – 1 B. Tolmachevsky lane, Moscow, 119017

vasilina92@mail.ruБарановскаяВ. Б.BaranovskayaV. B.

Василиса Борисовна Барановская

119049, Москва, Ленинский проспект, д. 4; 119017, Москва, Большой Толмачевский переулок, д. 5 стр. 1; 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 31

Vasilisa B. Baranovskaya

ФилатоваД. Г.FilatovaD. G.

Дарья Геннадьевна Филатова

119991, Москва, ГСП-1, ул. Ленинские горы, д. 1-3

Daria G. Filatova

GSP-1, 1-3 Leninskiye Gory, Moscow, 119991

ОсиповаА. А.OsipovaA. A.

Алеся Андреевна Осипова

119991, Москва, ГСП-1, ул. Ленинские горы, д. 1-3

Alesya A. Osipova

GSP-1, 1-3 Leninskiye Gory, Moscow, 119991

КарповЮ. А.KarpovYu. A.

Юрий Александрович Карпов

119049, Москва, Ленинский проспект, д. 4; 119017, Москва, Большой Толмачевский переулок, д. 5 стр. 1; 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 31

Yury A. Karpov

4 Leninskiy prospect, Moscow, 119049; 5 – 1 B. Tolmachevsky lane, Moscow, 119017; 31 Leninskiy prospect, Moscow, 119991

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»; State Research and Design Institute of Rare-Metal Industry «Giredmet»Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»; Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»; Институт общей и неорганической химии им Н.С. Курнакова, Российская академия наукРоссияNational University of Science and Technology «MISIS»; State Research and Design Institute of Rare-Metal Industry «Giredmet»; Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of SciencesRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультетРоссияLomonosov Moscow State University, Faculty of ChemistryRussian Federation2019291020198510511Copyright © Еськина В.В., Барановская В.Б., Филатова Д.Г., Осипова А.А., Карпов Ю.А., 20192019Еськина В.В., Барановская В.Б., Филатова Д.Г., Осипова А.А., Карпов Ю.А.Eskina V.V., Baranovskaya V.B., Filatova D.G., Osipova A.A., Karpov Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1078

Наноматериалы на основе оксидов цинка и индия можно модифицировать путем внесения добавок (модификаторов) для получения необходимых электрических или оптических свойств: например, специфичность этих наноматериалов по отношению к токсичным газам обеспечивают посредством иммобилизации на поверхности ZnO и In2O3 наночастиц Au, Ag и др. Важную роль при этом играет контроль состава этого материала для установления зависимости «содержание модификаторов — функциональные свойства». Данная работа посвящена разработке методического подхода к многоэлементному определению добавок (далее по тексту — модификаторы) Ag, Au и матричных элементов в наноматериалах на основе оксидов цинка и индия методом атомно-абсорбционной спектрометрии с электротермической атомизацией (ЭТААС) и источником непрерывного спектра. Матрицей синтезированных наноматериалов (НМ) является соответствующий оксид с возможным дефицитом кислорода из-за температурных условий синтеза (300 – 700 °C), а содержание модификаторов (Ag, Au) изменяется от 1 до 3 % масс. Найдены наиболее подходящие условия пиролиза и атомизации для последовательного многоэлементного атомно-абсорбционного анализа: температура пиролиза при определении Ag, Au (для обоих оксидов), In и Zn составляет 1000, 1600, 1200 и 900 °C соответственно; температура атомизации при определении Ag, Au (для НМ на основе оксида индия), Au (для НМ на основе оксида цинка), In и Zn — 1800, 2200, 2100, 2200 и 1500 °C соответственно. Достигнута точность определения аналитов 1 – 4 % отн. Правильность результатов подтверждена методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Разработанная методика позволяет контролировать состав синтезированных наноматериалов для их более эффективного применения в производстве химических сенсоров при обнаружении таких вредных соединений, как CO, NO2, NH3, а также в фотовольтаике.

The properties of nanostructured materials based on zinc and indium oxides can be modified by adding alloying elements to obtain the necessary electrical or optical properties. For example, the specificity of the chemical properties of ZnO and In2O3 for the determination of toxic gases is achieved by immobilizing Au, Ag, etc. nanoparticles on their surface. Control of the material composition plays an important role in determining the dependence between the dopant content and functional properties of the materials. The study is aimed at the development of a methodical approach to the multi-element determination of catalytic dopants (Ag, Au) and matrix elements in nanostructured tin and indium oxides atomic using continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry (HR CS GFAAS). The matrix of the synthesized nanostructured materials (NM) is formed by the corresponding oxide with possible oxygen deficiency occurred due to the temperature conditions of synthesis (300 – 700°C), and the content of additives (Ag, Au) being varied from 1 to 3 % wt. Pyrolysis and atomization conditions for sequential multi-element atomic absorption analysis are determined. The most suitable pyrolysis temperatures upon HR CS GFAAS determinations of Ag and Au (for both In and Zn oxides), are 1000, 1600, 1200 and 900°C, respectively. The most suitable atomization temperatures for ETAA-NIS determinations of Ag, Au (for indium oxide based NM, Au (for zinc oxide based NM), In, and Zn are 1800, 2200, 2100, 2200, and 1500°C, respectively. The accuracy of analyte determination reached 1 – 4 % rel. The correctness of the results was proved by inductively coupled plasma mass spectrometry. The developed method provides control of the composition of synthesized nanostructured materials for their more efficient use in photovoltaics, as well as in production of chemical sensors for detection of harmful compounds like CO, NO2, NH3.

атомно-абсорбционная спектрометрия высокого разрешенияэлектротермическая атомизацияисточник непрерывного спектрананоматериалыоксид цинкаоксид индиямодификаторыhigh resolution atomic absorption spectrometryelectrothermal atomizationcontinuum sourcenanomaterialsindium oxidezinc oxidemodifiersReferencesSosnin D. V., Kudryashov D. A., Gudovskikh S. A., Zelentsov K. S. Electrical and optical properties of nanosized films of doped zinc and indium oxides deposited by RF magnetron sputtering at room temperature / Tech. Phys. Letters. 2015. Vol. 11. N 8. P. 804 – 806. DOI: 10.1134/S1063785015080325.Sosnin D. V., Kudryashov D. A., Gudovskikh S. A., Zelentsov K. S. Electrical and optical properties of nanosized films of doped zinc and indium oxides deposited by RF magnetron sputtering at room temperature / Tech. Phys. Letters. 2015. Vol. 11. N 8. P. 804 – 806. DOI: 10.1134/S1063785015080325.Krivetskiy V. V., Rumyantseva M. N., Gaskov A. M. Chemical modification of nanocrystalline tin dioxide for selective gas sensors / Russ. Chem. Rev. 2013. Vol. 82. N 10. P. 917 – 941. DOI: 10.1070/RC2013v082n10ABEH004366.Krivetskiy V. V., Rumyantseva M. N., Gaskov A. M. Chemical modification of nanocrystalline tin dioxide for selective gas sensors / Russ. Chem. Rev. 2013. Vol. 82. N 10. P. 917 – 941. DOI: 10.1070/RC2013v082n10ABEH004366.Krivetskiy V., Ponzoni A., Comini E., et al. Selectivity Modification of SnO2-Based Materials for Gas Sensor Arrays / Electroanalysis. 2010. Vol. 22. N 23. P. 2809 – 2816. DOI: 10.1002/elan.201000277.Krivetskiy V., Ponzoni A., Comini E., et al. Selectivity Modification of SnO2-Based Materials for Gas Sensor Arrays / Electroanalysis. 2010. Vol. 22. N 23. P. 2809 – 2816. DOI: 10.1002/elan.201000277.Xu L., Zhang H., Tian Y., et al. Photochemical synthesis of ZnO@Au nanorods as an advanced reusable SERS substrate for ultrasensitive detection of light-resistant organic pollutant in wastewater / Talanta. 2019. Vol. 194. P. 680 – 688. DOI: 10.1016/j.talanta.2018.10.060.Xu L., Zhang H., Tian Y., et al. Photochemical synthesis of ZnO@Au nanorods as an advanced reusable SERS substrate for ultrasensitive detection of light-resistant organic pollutant in wastewater / Talanta. 2019. Vol. 194. P. 680 – 688. DOI: 10.1016/j.talanta.2018.10.060.Vorobyeva N., Rumyantseva M., Filatova D. et al. Highly Sensitive ZnO(Ga, In) for Sub-ppm Level NO2 Detection: Effect of Indium Content / Chemosensors. 2017. Vol. 5. N 2. P. 18(1) – 18(11). DOI: 10.3390/chemosensors5020018.Vorobyeva N., Rumyantseva M., Filatova D. et al. Highly Sensitive ZnO(Ga, In) for Sub-ppm Level NO2 Detection: Effect of Indium Content / Chemosensors. 2017. Vol. 5. N 2. P. 18(1) – 18(11). DOI: 10.3390/chemosensors5020018.An S., Park S., Ko H., et al. Enhanced ethanol sensing properties of multiple networked Au-doped In2O3 nanotube sensors / J. Phys. Chem. Solids. 2013. Vol. 74. N 7. P. 979 – 984. DOI: 10.1016/j.jpcs.2013.02.016.An S., Park S., Ko H., et al. Enhanced ethanol sensing properties of multiple networked Au-doped In2O3 nanotube sensors / J. Phys. Chem. Solids. 2013. Vol. 74. N 7. P. 979 – 984. DOI: 10.1016/j.jpcs.2013.02.016.Naberezhnyi D., Rumyantseva M., Filatova D., et al. Effects of Ag Additive in Low Temperature CO Detection with In2O3 Based Gas Sensors / Nanomaterials. 2018. Vol. 8. N 10. P. 801(1) – 801(15). DOI: 10.3390/nano8100801.Naberezhnyi D., Rumyantseva M., Filatova D., et al. Effects of Ag Additive in Low Temperature CO Detection with In2O3 Based Gas Sensors / Nanomaterials. 2018. Vol. 8. N 10. P. 801(1) – 801(15). DOI: 10.3390/nano8100801.Mishra R. K., Zachariah A. K., Thomas S. (eds.). Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy Techniques for Nanomaterial. In book: Microscopy Methods in Nanomaterials Characterization. Chapter 12. P. 383 – 405. — Amsterdam: Elsevier, 2017. DOI: 10.1016/B978-0-323-46141-2.00012-2.Mishra R. K., Zachariah A. K., Thomas S. (eds.). Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy Techniques for Nanomaterial. In book: Microscopy Methods in Nanomaterials Characterization. Chapter 12. P. 383 – 405. — Amsterdam: Elsevier, 2017. DOI: 10.1016/B978-0-323-46141-2.00012-2.Pathak T. K., Kroon R. E., Swart H. C. Photocatalytic and biological applications of Ag and Au doped ZnO nanomaterial synthesized by combustion / Vacuum. 2018. Vol. 157. P. 508 – 513. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.09.020.Pathak T. K., Kroon R. E., Swart H. C. Photocatalytic and biological applications of Ag and Au doped ZnO nanomaterial synthesized by combustion / Vacuum. 2018. Vol. 157. P. 508 – 513. DOI: 10.1016/j.vacuum.2018.09.020.Filatova D. G., Eskina V. V., Barampvskaya V. B., et al. Determination of gold and cobalt dopants in advanced materials based on tin oxide by slurry sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry / Spectrochim. Acta, Part B. 2018. Vol. 140. P. 1 – 4. DOI: 10.1016/j.sab.2017.12.003.Filatova D. G., Eskina V. V., Barampvskaya V. B., et al. Determination of gold and cobalt dopants in advanced materials based on tin oxide by slurry sampling high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry / Spectrochim. Acta, Part B. 2018. Vol. 140. P. 1 – 4. DOI: 10.1016/j.sab.2017.12.003.Filatova D. G., Alov N. V., Vorobyeva N. A., et al. Quantification of modifiers in advanced materials based on zinc oxide by total reflection X-ray fluorescence and inductively coupled plasma mass spectrometry / 2016. Vol. 118. P. 62 – 65. DOI: 10.1016/j.sab.2016.02.008.Filatova D. G., Alov N. V., Vorobyeva N. A., et al. Quantification of modifiers in advanced materials based on zinc oxide by total reflection X-ray fluorescence and inductively coupled plasma mass spectrometry / 2016. Vol. 118. P. 62 – 65. DOI: 10.1016/j.sab.2016.02.008.Turkin A. A., Chizhov A. S., Seregina I. F., et al. Determination of Gold and Antimony in Advanced Materials Based on Tin Dioxide Using Inductively Coupled PlasmaMass Spectrometry / Inorg. Mater. 2015. Vol. 51. N 14. P. 1420 – 1422. DOI: 10.1134/S0020168515140113.Turkin A. A., Chizhov A. S., Seregina I. F., et al. Determination of Gold and Antimony in Advanced Materials Based on Tin Dioxide Using Inductively Coupled PlasmaMass Spectrometry / Inorg. Mater. 2015. Vol. 51. N 14. P. 1420 – 1422. DOI: 10.1134/S0020168515140113.Tricoli A., Graf M., Pratsinis S. E. Optimal doping for enhanced SnO2 sensitivity and thermal stability / Adv. Funct. Mater. 2008. Vol. 18. P. 1969 – 1976. DOI: 10.1002/adfm.200700784.Tricoli A., Graf M., Pratsinis S. E. Optimal doping for enhanced SnO2 sensitivity and thermal stability / Adv. Funct. Mater. 2008. Vol. 18. P. 1969 – 1976. DOI: 10.1002/adfm.200700784.Mädler L., Roessler A., Pratsinis S. E., et al. Direct formation of highly porous gas-sensing films by in situ thermophoretic deposition of flame-made Pt/SnO2 nanoparticles / Sens Actuators B. 2006. Vol. 114. N 1. P. 283 – 295. DOI: 10.1016/j.snb.2005.05.014.Mädler L., Roessler A., Pratsinis S. E., et al. Direct formation of highly porous gas-sensing films by in situ thermophoretic deposition of flame-made Pt/SnO2 nanoparticles / Sens Actuators B. 2006. Vol. 114. N 1. P. 283 – 295. DOI: 10.1016/j.snb.2005.05.014.Krotova A. A., Prikhodko K. Ya., Vladimirova S. A., Filatova D. G. Determination of nickel, zinc and cobalt in advanced materials based on NixCo3 – xO4 and ZnxCo3 – xO4 by inductively coupled plasma mass spectrometry and X-ray fluorescence / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 1. P. 10 – 13 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-1-I-10-13.Krotova A. A., Prikhodko K. Ya., Vladimirova S. A., Filatova D. G. Determination of nickel, zinc and cobalt in advanced materials based on NixCo3 – xO4 and ZnxCo3 – xO4 by inductively coupled plasma mass spectrometry and X-ray fluorescence / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 1. P. 10 – 13 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-1-I-10-13.Nomenclature, symbols, units and their usage in spectrochemical analysis. II. Data interpretation. Analytical chemistry division / Spectrochim. Acta, Part B. 1978. Vol. 33. N 6. P. 241 – 245. DOI: 10.1016/0584-8547(78)80044-5.Nomenclature, symbols, units and their usage in spectrochemical analysis. II. Data interpretation. Analytical chemistry division / Spectrochim. Acta, Part B. 1978. Vol. 33. N 6. P. 241 – 245. DOI: 10.1016/0584-8547(78)80044-5.Currie L. A. Nomenclature in evaluation of analytical methods including detection and quantification capabilities (IUPAC Recommendations 1995) / Pure Appl. Chem. 1995. Vol. 67. N 10. P. 1699 – 1723. DOI: 10.1351/pac199567101699.Currie L. A. Nomenclature in evaluation of analytical methods including detection and quantification capabilities (IUPAC Recommendations 1995) / Pure Appl. Chem. 1995. Vol. 67. N 10. P. 1699 – 1723. DOI: 10.1351/pac199567101699.Mocak J., Bond A. M., Mitchell S., Scollarry G. A statistical overview of standard (IUPAC and ACS) and new procedures for determining the limits of detection and quantification: Application to voltammetric and stripping techniques (Technical Report) / 1997. Pure Appl. Chem. 1997. Vol. 69. N 2. P. 297 – 328. DOI: 10.1351/pac199769020297.Mocak J., Bond A. M., Mitchell S., Scollarry G. A statistical overview of standard (IUPAC and ACS) and new procedures for determining the limits of detection and quantification: Application to voltammetric and stripping techniques (Technical Report) / 1997. Pure Appl. Chem. 1997. Vol. 69. N 2. P. 297 – 328. DOI: 10.1351/pac199769020297.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.