Aerogéis nanocompósitos de SnO2 e polímeros condutores como sensores de amônia de alta sensibilidade e seletividade

Abstract

Nos últimos anos, a nanotecnologia tem contribuído significativamente para um número abrangente de setores produtivos por meio de avanços tecnológicos. Entre as áreas beneficiadas, destaca-se a fabricação de sensores, principalmente relacionados à detecção de gases. Gases como o NH3, CO, NO2 e C2H6O requerem um controle rigoroso em seus processos. Alguns deles são tóxicos para o ser humano e outros causam acidentes durante a sua obtenção e seu manuseio. Assim, os materiais usados na construção dos sensores precisam de uma sensibilidade muito alta. Espera-se de um dispositivo de sensibilidade a gases a capacidade de operar em temperatura ambiente (RT) para aplicações com baixo consumo de energia. Pesquisas recentes nessa área, como as desenvolvidas em Sun et al. (2012) e Xu et al. (1991) apontam para o uso de compostos inorgânicos, enfatizando em especial seus mecanismos de sensibilidade aos gases, e/ou polímeros condutores, como as desenvolvidas por Khuspe et al. (2013) e Zhang et al. (2019), objetivados a buscar um material de grande área superficial e, consequentemente, maior contato para detectar moléculas de gás, promovendo maior sensibilidade. O principal objetivo desta pesquisa é estudar materiais nanocompósitos com foco nos aerogéis, além de considerar seus processos de fabricação, composições químicas (o óxido metálico dióxido de estanho com a adição de polímeros condutores PANI ou PEDOT:PSS) e suas respectivas áreas de superfície para contribuir com a sensibilidade na detecção de moléculas de gases. Todos os três nanocompósitos baseados em aerogel de SnO2 exibiram alta seletividade para detecção de amônia, com aerogéis híbridos detectando concentrações tão baixas quanto 50 ppb em temperatura ambiente. Notavelmente, o sensor baseado em SnO2/PANI detectou uma concentração mínima de amônia de 2 ppb. A detecção aprimorada em concentrações extremamente baixas pode ser atribuída às características combinadas de composição e área de superfície específica dos nanocompósitos.

Abstract: In recent years, nanotechnology has made a significant contribution to a large number of productive sectors through technological advances. Among the areas that have benefited is the manufacture of sensors, mainly related to the detection of gases. Gases such as NH3, CO, NO2 and C2H6O require strict control in their processes. Some of them are toxic to humans and others cause accidents when they are obtained and handled. Therefore, the materials used to build the sensors need to be very sensitive. A gas-sensing device is expected to be able to operate at room temperature (RT) for applications with low power consumption. Recent research in this area, such as that developed by Sun et al. (2012) and Xu et al. (1991), points to the use of inorganic compounds, emphasizing in particular their mechanisms of sensitivity to gases, and/or conductive polymers, such as those developed by Khuspe et al. (2013) and Zhang et al. (2019), aiming to find a material with a large surface area and, consequently, greater contact to detect gas molecules, promoting greater sensitivity. The main objective of this research is to study nanocomposite materials with a focus on aerogels, in addition to considering their manufacturing processes, chemical compositions (tin dioxide metal oxide with the addition of conductive polymers PANI or PEDOT:PSS) and their respective surface areas in order to contribute to sensitivity in the detection of gas molecules. All three SnO2 aerogel-based nanocomposites exhibited high selectivity for ammonia detection, with hybrid aerogels detecting concentrations as low as 50 ppb at room temperature. Notably, the SnO2/PANI based sensor detected a minimum ammonia concentration of 2 ppb. The enhanced detection at extremely low concentrations can be attributed to the combined features of composition and specific surface area of the nanocomposites.