Synthesis, characterization, and application of ZnFe2O4 nanoparticles as a 2-butanone sensor

Abstract

The focus of this study was on the synthesis of type-n ZnFe2O4 metal oxide derived from metal-organic framework (MOF) for the detection of volatile molecules produced by microorganisms (fungi and bacteria). However, despite the notability of the topic, there are still few studies regarding rapid detection with low detection limits for volatile organic compounds produced by microorganisms (microbial volatile organic compounds, MVOCs). Therefore, the study was conducted to evaluate the use of monophasic bimetallic structure (ZnFe2O4) as a sensor material, assessing its influence on improving sensor response, selectivity, and response time in detecting MVOCs. The material was prepared through thermal degradation in an air atmosphere of ZnFe-MOF, which was previously prepared using the microwave-assisted solvothermal method (MAS), employing Zn(NO3)2.6H2O and Fe(C5H7O2)3 salts, PVP K-30, and the organic ligand Terephthalic Acid (C6H4-1,4-(CO2H)2) in a mixed solvent composed of N,N-Dimethylformamide-Ethanol (DMF-EtOH-v/v = 5:3). Characterization results of the material showed no impurities present, as well as the absence of undesired phases. The sensor responses were evaluated in the range of 100 parts per million (100 ppm) of MVOCs 1-pentanol, methanol, benzene, m-xylene, and 2-butanone, varying the operating temperature in the range of 200-400 °C, where the highest response was 63.5 for 2-butanone at the optimal operating temperature of 300 °C. Additionally, the sensor demonstrated good performance in detecting 2-butanone in the presence of humidity, under different controlled relative humidity ranges.

O foco desse trabalho se deu na síntese do óxido metálico tipo-n ZnFe2O4 derivado de estrutura metal-orgânica (metal-organic framework, MOF) afim da detecção de moléculas voláteis produzidas por microorganismos (fungos e bactérias). Contudo, apesar da notoriedade do tema, ainda existem poucos estudos no tocante a detecção rápida e com baixo limite de detecção para compostos orgânicos voláteis produzidos por microorganismos (microbial volatile organic compounds, MVOCs). Visto isso, o estudo foi conduzido visando a avaliação do uso da estrutura bimetálica monofásica (ZnFe2O4) como material sensor, avaliando sua influência no aprimoramento da resposta sensora, seletividade e o tempo de resposta na detecção de MVOCs. O material foi preparado a partir da degradação térmica em atmosfera de ar da ZnFe-MOF, que foi preparada previamente através do método solvotérmico assistido por microondas (MAS), fazendo uso dos sais Zn(NO3)2.6H2O e Fe(C5H7O2)3, PVP K-30, e como ligante orgânico Ácido Teraftálico (C6H4-1,4 (CO2H)2) em solvente misto, composto por N,N -Dimetilformamida-Etanol (DMF-EtOH-v/v = 5:3). Os resultados de caracterização do material evidenciaram que a amostra não apresentou impurezas, bem como o surgimento de fases indesejadas. As respostas do sensor foram avaliadas na faixa de 100 partes por milhão (100 ppm) dos MVOCs 1 pentanol, methanol, benzene, m-xylene, and 2-butanone, variando a temperatura de operação na faixa de 200-400 °C, onde a maior resposta foi de 63,5 para 2-butanona na temperatura ótima operacional de 300 °C. Além disso, o sensor apresentou bom desempenho na deteção de 2-butanona na presença de umidade, com diferentes faixas de umidade relativa controlada.