Designing gas sensors with a lower detection limit is necessary to exhaled breath analysis for early diagnosis, which is a critical issue in health status. In addition, acetylene gas can be used as a specific marker for smoking status and air pollution. Here, a synthesis of SnO$_2$/LaFeO$_3$ nanotubes (NTs) is suggested through an electrospinning technique with galvanic replacement reaction (GRR), which dramatically improves acetylene sensing behavior. The controlled GRR process provides SnO$_2$/LaFeO$_3$ NTs with a high surface area (146.6 m$^2$g$^{-1}$) by generation of SnO$_2$ nanograins (< 10 nm) and catalytic p-n heterojunctions by controlled reaction time with Sn precursor solution. Owing to the advantage of these features, the GRR treated SnO$_2$/LaFeO$_3$ NTs exhibited 31.2-fold higher acetylene response with fast response speed (16 s) compared to pristine LaFeO$_3$ NTs (64 s). These results demonstrate that GRR can be used to enhance the gas sensing performance with controllable morphology and compositions of 1D metal oxides.
인체 날숨으로부터 극미량의 가스 분자를 감지할 수 있는 가스센서를 개발하는 것은 상당히 중요하다. 그 중에서 아세틸렌 가스는 사람의 흡연 상태 및 대기환경의 공기질을 대변할 수 있는 지표로 간주된다. 본 학위 논문에서는 전기방사로 합성한 1차원 금속산화물 LaFeO$_3$ 나노튜브에 갈바닉 치환 반응을 적용하여 아세틸렌 가스에 대한 감지 능력을 크게 향상시키는 합성법을 제시했다. 갈바닉 치환 반응 시간과 주석산화물 전구체 이온 용액을 조절하여 SnO$_2$/LaFeO$_3$ 나노튜브에 평균 10 나노미터 미만 크기의 주석산화물 입자와 촉매성 p-n 이종 접합 구조를 형성시킴으로써, SnO$_2$/LaFeO$_3$ 나노튜브에 146.6 m$^2$g$^{-1}$의 높은 비표면적을 부여한다. 이러한 장점들로 인하여, 갈바닉 치환 반응을 적용한 SnO$_2$/LaFeO$_3$ 나노튜브의 아세틸렌 감도는 31.2배 향상되었으며, 64초의 반응속도를 보였던 LaFeO$_3$ 나노튜브에 비해 16초의 가속화된 반응속도를 달성했다. 이러한 결과는 갈바닉 치환 반응을 적용한 1차원 금속산화물의 형상과 조성 제어를 통해 가스센서의 성능을 높이는 효과적인 방법으로 설명된다.
