Sensores de gás a base de SnO2-CuO

Abstract

Neste trabalho, as propriedades sensoras de gás de nanoestruturas de óxido de estanho puras (SnO2) e híbridas (SnO2-Pt, SnO2-CuO e SnO2-CuO-Pt) foram estudadas na presença de diferentes gases. Os materiais foram sintetizados pelo método de electrospinning seguido por tratamento térmico e, posteriormente, foram caracterizados por termogravimetria (TG), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura com emissão por campo (MEV-FEG), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia por dispersão em energia de raios X (EDS), microscopia de força atômica (AFM) e área de superfície específica e porosidade (BET). O foco principal do trabalho foi analisar a resposta dos materiais sintetizados como sensores de gás para a detecção de gases tóxicos e inflamáveis em baixas concentrações e em uma temperatura de operação de 300 °C. Os resultados obtidos a partir das caracterizações estruturais e morfológicas mostraram que o método de electrospinning permite a obtenção de materiais unidimensionais (1D) policristalinos com elevada homogeneidade morfológica e pureza cristalina. Além disso, os elementos químicos presentes nas estruturas de cada material sintetizado foram mapeados e identificados, onde verificou-se que todos os elementos estão homogeneamente distribuídos ao longo da estrutura das fibras. As características superficiais dos materiais, tais como rugosidade e porosidade também foram estudadas e os resultados indicaram que, dependendo da composição química das fibras, estruturas com diferentes níveis de rugosidade e área superficial podem ser obtidas. Medidas elétricas na presença de NO2, CO, H2, e CH4 mostraram que todos os materiais exibem comportamento de semicondutor do tipo-n e resposta sensora dependente da concentração do gás analito. As fibras de SnO2 e SnO2-Pt exibiram maior resposta sensora para a detecção de NO2 enquanto as fibras de SnO2-CuO e SnO2-CuO-Pt tiveram maior resposta na presença de H2, além de elevada seletividade para H2 em relação ao CH4. Em geral, os resultados obtidos mostram que os materiais produzidos são bastante promissores e têm grande potencial para serem estudados detalhadamente como sensores de gás.

In this work, the gas sensing properties of pure (SnO2) and hybrid (SnO2-Pt, SnO2-CuO and SnO2-CuO-Pt) tin oxide nanostructures were studied in the presence of different analyte gases. Materials were synthesized by electrospinning method followed by thermal treatment and subsequently characterized by thermogravimetry (TG), X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), atomic force microscopy (AFM) and specific surface area and porosity (BET). The main focus of the work was to analyze the gas sensor response of the synthesized materials for the detection of toxic and flammable gases in low concentrations at 300 °C. The results from the morphological and structural characterizations by XRD, SEM and TEM showed the electrospinning method allows obtaining polycrystalline 1D materials with high morphological homogeneity and crystalline purity. Furthermore, the chemical elements present in the structures of each synthesized material and it was found that all elements are homogeneously distributed throughout the fiber structures. The surface characteristics of materials, such as roughness and porosity were also studied and the results indicated that depending on the chemical composition of the fibers, structures with different levels of roughness and surface area can be obtained. Electrical measurements in the presence of NO2, H2, CO and CH4 were performed in order to verify the gas sensor properties of the nanostructures, and results showed that all materials exhibit n-type semiconducting behavior and the sensor response to be dependent on the analyte gas concentration. The SnO2 and SnO2-Pt fibers showed higher sensor response to NO2 detection while SnO2-CuO and SnO2-CuO-Pt fibers presented greater sensitivity for H2 as well as high selectivity to H2 compared to CH4. In general, the results showed that the produced materials are very promising and have high potential to be studied in detail as gas sensors materials.