RESEARCH ARTICLE

Detection of CO2 and O2 by iron loaded LTL zeolite films

  • Veselina Georgieva 1 ,
  • Richard Retoux 2 ,
  • Valerie Ruaux 1 ,
  • Valentin Valtchev 1 ,
  • Svetlana Mintova , 1
Expand
  • 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

Received date: 04 Aug 2017

Accepted date: 24 Oct 2017

Published date: 26 Feb 2018

Copyright

2018 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature

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.

Cite this article

Veselina Georgieva , Richard Retoux , Valerie Ruaux , Valentin Valtchev , Svetlana Mintova . Detection of CO2 and O2 by iron loaded LTL zeolite films[J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2018 , 12(1) : 94 -102 . DOI: 10.1007/s11705-017-1692-5

Acknowledgements

The financial support provided by TARGED ANR and Normandy C2–MTM Project is acknowledged.
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

DOI

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

DOI

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

DOI

5
Mintova S, Jaber  M, Valtchev V. Nanosized microporous crystals: Emerging applications. Chemical Society Reviews, 2015, 44(20): 7207–7233

DOI

6
Bein T, Mintova  S. Zeolites and ordered mesoporous materials: Progress and prospects. Studies in Surface Science and Catalysis, 2005, 157: 263–288

DOI

7
Mintova S, Bein  T. Microporous films prepared by spin-coating stable colloidal suspensions of zeolites. Advanced Materials, 2001, 13(24): 1880–1883

DOI

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

DOI

9
Valtchev V, Tosheva  L. Porous nanosized particles: Preparation, properties, and applications. Chemical Reviews, 2013, 113(8): 6734–6760

DOI

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

DOI

11
Xu X, Wang  J, Long Y. Zeolite-based materials for gas sensors. Sensors (Basel), 2006, 6(12): 1751–1764

DOI

12
Lakiss L, Kecht  J, De Waele V,  Mintova S. Copper-containing nanoporous films. Superlattices and Microstructures, 2008, 44(4-5): 617–625

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

32
Mills A. Oxygen indicators and intelligent inks for packaging food. Chemical Society Reviews, 2005, 34(12): 1003–1011

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

47
Mintova S, Bein  T. Microporous films prepared by spin-coating stable colloidal suspensions of zeolites. Advanced Materials, 2001, 13(24): 1880–1883

DOI

48
Mintova S, Valtchev  V, Konstantinov L. Adhesivity of molecular sieve films on metal substrates. Zeolites, 1996, 17(5-6): 462–465

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

Outlines

/