Влияние хлор-замещения и окисления нанотрубок в гибридных сенсорах на аммиак на основе фталоцианинов цинка и SWCNT: экспериментальные исследования и квантово-химические расчёты

  • Victoria N. Ivanova Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, 6300900 Новосибирск, Россия https://orcid.org/0000-0003-2084-2363
  • Pavel O. Krasnov Международный научно-исследовательский центр спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета, 660074 Красноярск, Россия https://orcid.org/0000-0002-5843-0455
  • Alexander M. Makarenko Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, 6300900 Новосибирск, Россия
  • Tamara V. Basova https://orcid.org/0000-0003-4001-8371
  • Darya D. Klyamer Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, 6300900 Новосибирск, Россия https://orcid.org/0000-0002-9497-8899
DOI: https://doi.org/10.6060/mhc256889k
Ключевые слова: фталоцианины металлов, газовые сенсоры, адсорбционно-резистивные датчики, аммиак, квантово-химические расчёты, гибридные материалы

Аннотация

Разработка высокочувствительных и селективных датчиков на аммиак остается важной задачей для экологических и биомедицинских применений. В данной работе представлены адсорбционно-резистивные сенсоры на основе гибридных материалов, полученных нековалентной функционализацией исходных и карбоксилированных одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT и SWCNT-COOH) хлор-замещенными фталоцианинами цинка – тетра- (ZnPcCl₄) и октахлорированными (ZnPcCl₈) производными, а также незамещённым фталоцианином цинка (ZnPc) для сравнения. Комплексное исследование с использованием ИК- и КР-спектроскопии и элементного анализа подтвердило успешное образование гибридных материалов и показало, что окисление SWCNT значительно повышает содержание фталоцианина в гибридном материале за счет образования дополнительных водородных связей. Слои полученных гибридных материалов демонстрировали обратимый сенсорный отклик на NH₃ (1–50 ppm), причем наилучшие характеристики были достигнуты у гибридов с ZnPcCl₄. Обнаружено, что SWCNT-COOH/ZnPcCl₄ показал в 2–3 раза более высокий отклик и более низкий предел обнаружения (0,3 ppm) по сравнению с гибридными материалами на основе исходных SWCNT (0,5 ppm), что обусловлено более высоким содержанием фталоцианина в материале. Исследование влияния влажности и селективности на сенсорный отклик показало, что хотя гибриды на основе SWCNT-COOH демонстрируют высокую чувствительность при низкой влажности, их сигнал искажается при относительной влажности >40%. При этом SWCNT/ZnPcCl₄ сохраняет стабильные сенсорные характеристики. Полученные результаты демонстрируют, как молекулярная структура фталоцианина и тип нанотрубок влияют на чувствительность сенсора. Это открывает новые возможности для разработки высокопроизводительных датчиков аммиака.

Литература

Fernández-Ramos M.D., Arenas-Martínez A., Pastrana-Martínez L.M., Cruz C., Pérez-Poyatos L.T., Morales-Torres S., Maldonado-Hódar F.J. Microchem. J. 2025, 218, 115291. https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.115291

Park S.J., Lee S.M., Oh M.-H., Huh Y.S., Jang H.W. Sustainable Food Technol. 2024, 2, 266. https://doi.org/10.1039/D3FB00196B

Silva T.E.A.-R., Burisch F., Güntner A. T. TrAC Trends in Anal. Chem. 2024, 177, 117790. https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117790

Landini N., Malagù C., Guidi V. Sens. Actuat. B Chem. 2022, 371, 132493. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132493

Luo K., Peng H., Zhang B., Chen L., Zhang P., Peng Z., Fu X. Coord. Chem. Rev. 2024, 518, 216049. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216049

Dhall S., Sood K., Nathawat R. Int. J. Hydrogen Energy 2017, 42, 8392. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.005

Golovakhin V., Litvinova V.I., Manakhov A., Latypova A.R., Novgorodtseva O.N., Ukhina A.V., Ishchenko A.V., Al-Qasim A.S., Maksimovskiy E.A., Bannov A.G. Mater. Today Commun. 2024, 39, 109163. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.109163

Oladipo M.E., Ogunsola S.S., Oladoye P.O. Chemosphere 2025, 385, 144549. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2025.144549

Şahin Z., Meunier-Prest R., Dumoulin F., Kumar A., Isci Ü., Bouvet M. Sens. Actuat. B Chem. 2021, 332, 129505. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129505

Klyamer D., Bonegardt D., Basova T. Chemosensors 2021, 9, 133. https://doi.org/10.3390/chemosensors9060133

Bonegardt D., Klyamer D., Sukhikh A., Krasnov P., Popovetskiy P., Basova T. Chemosensors 2021, 9, 137. https://doi.org/10.3390/chemosensors9060137

Klyamer D., Bonegardt D., Krasnov P., Sukhikh A., Popovetskiy P., Basova T. Chemosensors 2022, 10, 515. https://doi.org/10.3390/chemosensors10120515

Polyakov M.S., Basova T.V. Macroheterocycles 2017, 10, 31, https://doi.org/10.6060/mhc161176p

Wu H., Chen Z., Zhang J., Wu F., He C., Wu Y., Ren Z., J. Mater. Chem. A 2017, 5, 24493. https://doi.org/10.1039/C7TA07443C

Sharma A.K., Mahajan A., Saini R., Bedi R.K., Kumar S., Debnath A.K., Aswal D.K. Sens. Actuat. B Chem. 2018, 255, 87. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.08.013

Polyakov M.S., Basova T.V., Göksel M., Şenocak A., Demirbaş E., Durmuş M., Kadem B., Hassan A. Synth. Met. 2017, 227, 78. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2017.02.024

Wang B., Zhou X., Wu Y., Chen Z., He C. Sens. Actuat. B Chem. 2012, 398, 171-172. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.04.084

Wang B., Wu Y., Wang X., Chen Z., He C. Sens. Actuat. B Chem. 2014, 190, 157. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.08.066

Kang D., Wang B., Wang X., Li Y., Chen Z., He C., Wu Y., Sens Actuat. B Chem. 2017, 246, 262. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.02.083

Liang X., Chen Z., Wu H., Guo L., He C., Wang B., Wu Y. Carbon NY 2014, 80, 268, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.08.065.

Kaya E.N., Basova T., Polyakov M., Durmuş M., Kadem B., Hassan A. RSC Adv. 2015, 5, 91855. https://doi.org/10.1039/C5RA18697H

Kadem B., Göksel M., Şenocak A., Demirbaş E., Atilla D., Durmuş M., Basova T., Shanmugasundaram K., Hassan A. Polyhedron 2016, 110, 37. https://doi.org/10.1016/j.poly.2016.01.053

Kwak D., Lei Y., Maric R. Talanta 2019, 204, 713. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2019.06.034

Feng X., Irle S., Witek H., Morokuma K., Vidic R., Borguet E. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 10533. https://doi.org/10.1021/ja042998u

Bannov A.G., Popov M.V., Brester A.E., Kurmashov P.B. Micromachines 2021, 12(2), 186. https://doi.org/10.3390/mi12020186

de Oteyza D.G., El-Sayed A., Garcia-Lastra J.M., Goiri E., Krauss T.N., Turak A., Barrena E., Dosch H., Zegenhagen J., Rubio A., Wakayama Y., Ortega J.E. J. Chem. Phys. 2010, 133, 214703. https://doi.org/10.1063/1.3509394

Klyamer D., Bonegardt D., Basova T. Chemosensors 2021, 9, 133. https://doi.org/10.3390/chemosensors9060133

Ivanova V., Şenocak A., Klyamer D., Demirbas E., Makhseed S., Krasnov P., Basova T., Durmuş M. Sens. Actuat. B Chem. 2024, 398, 134733. https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.134733

Elstner M., Porezag D., Jungnickel G., Elsner J., Haugk M., Frauenheim T., Suhai S. Phys. Rev. B 1998, 58, 7260. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260

Hourahine B., Aradi B., Blum V., Bonafé F., Buccheri A., Camacho C., Cevallos C., Deshaye M.Y., Dumitric T., Dominguez A., Ehlert S., Elstner M., Van Der Heide T., Hermann J., Irle S., Kranz J.J., Köhler C., Kowalczyk T., Kubař T., Lee I.S., Lutsker V., Maurer R.J., Min S.K., Mitchell I., Negre C., Niehaus T.A., Niklasson A.M.N., Page A.J., Pecchia A., Penazzi G., Persson M.P., Rezáč J., Sánchez C.G., Sternberg M., Stöhr M., Stuckenberg F., Tkatchenko A., Yu V.W.Z., Frauenheim T. J. Chem. Phys. 2020, 152, 124101. https://doi.org/10.1063/1.5143190

Lu X., Gaus M., Elstner M., Cui Q. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 1062. https://doi.org/10.1021/jp506557r

Gaus M., Goez A., Elstner M. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 338. https://doi.org/10.1021/ct300849w

Grimme S., Ehrlich S., Goerigk L. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456. https://doi.org/10.1002/jcc.21759

Grimme S., Antony J., Ehrlich S., Krieg H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104. https://doi.org/10.1063/1.3382344

Mulliken R.S. J. Chem. Phys. 1955, 23, 1833. https://doi.org/10.1063/1.1740588

Mulliken R.S. J. Chem. Phys. 1955, 23, 1841. https://doi.org/10.1063/1.1740589

Krasnov P.O., Basova T.V., Hassan A. Appl. Surf. Sci. 2018, 457, 235. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.06.282

Krasnov P.O., Ivanova V.N., Basova T.V. Appl. Surf. Sci. 2021, 547, 149172. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149172

Monkhorst H.J., Pack J.D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188

Krasnov P., Ivanova V., Klyamer D., Fedorov A., Basova T. Chemosensors 2022, 10, 479. https://doi.org/10.3390/chemosensors10110479

Ivanova V., Klyamer D., Krasnov P., Kaya E. N., Kulu I., Tuncel Kostakoğlu S., Durmuş M., Basova T. Sens. Actuat. B Chem. 2023, 375, 132843. https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132843

Rodrigues C.C., de Moraes D., da Nóbrega S.W., Barboza M.G. Bioresour. Technol. 2007, 98, 886. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.03.024

Dehsari H.S., Gavgani J.N., Hasani A., Mahyari M., Shalamzari E.K., Salehi A., Taromi F.A. RSC Adv. 2015, 5, 79729. https://doi.org/10.1039/C5RA13976G

Liang X., Chen Z., Wu H., Guo L., He C., Wang B., Wu Y., Carbon 2014, 80, 268. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.08.065

Опубликован
2026-03-24
Как цитировать
Ivanova, V., Krasnov, P., Makarenko, A., Basova, T., & Klyamer, D. (2026). Влияние хлор-замещения и окисления нанотрубок в гибридных сенсорах на аммиак на основе фталоцианинов цинка и SWCNT: экспериментальные исследования и квантово-химические расчёты. Макрогетероциклы/Macroheterocycles, 19(1), 41-50. https://doi.org/10.6060/mhc256889k
Выпуск
Том 19 № 1 (2026)
Раздел
Фталоцианины