Sensor de ZnO modificado com In2O3 obtido pela combinação dos métodos spray ultrassônico e hidrotérmico assistido por micro-ondas para detecção de compostos orgânicos voláteis

Abstract

O avanço na ciência e tecnologia de sensores de compostos orgânicos voláteis (VOCs) é importante para o desenvolvimento sustentável de materiais funcionais. Portanto, há uma necessidade de melhorar a sensibilidade, tempo de resposta e tempo de vida útil dos sensores. O presente trabalho estuda a influência da modificação do sensor à base de ZnO com In2O3, para detecção de VOCs. Nesse sentido, foram realizadas as seguintes sínteses: (i) síntese das estruturas puras de ZnO e (ii) síntese das heteroestruturas de In2O3/ZnO contendo In2O3 na proporção de 1, 2 e 3% em massa em relação ao ZnO. Para a síntese dos materiais, foi empregado a nebulização por spray ultrassônico em conjunto com o método hidrotérmico assistido por micro-ondas. Os materiais sintetizados foram caracterizados por difração de raios-X (DRX), espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). Por meio das imagens de MEV foi constatado que o sensor à base de ZnO apresentou uma morfologia de bastões gêmeos. Os testes de detecção de VOCs foram realizados sob ar seco e com umidade relativa (U.R.) entre 26-98%. Com os testes de detecção de VOCs, atestou-se que os sensores baseados em ZnO e nas heteroestruturas In2O3/ZnO apresentaram uma alta seletividade a trietilamina (TEA), em comparação com os demais VOCs testados: acetona, butanona, benzeno, isopropanol, etanol e metanol. Verificou-se que a formação da heteroestrutura In2O3/ZnO diminuiu a temperatura ótima de operação em 50 °C, comparando-se com o sensor contendo apenas ZnO. Ainda, foi realizado teste de sensibilidade com os bastões gêmeos de ZnO e com as heteroestruturas In2O3/ZnO, expondo-os a diferentes concentrações de TEA (1-200 ppm). Para apenas 1 ppm, as respostas alcançadas foram 2,6; 3,1; 6,2 e 3,3 para os sensores baseados em ZnO e nas heteroestruturas 1% In2O3/ZnO, 2% In2O3/ZnO e 3% In2O3/ZnO, respectivamente, mostrando que a heteroestrutura 2% In2O3/ZnO apresentou sensibilidade aprimorada à TEA. Além disso, os bastões gêmeos de ZnO e as heteroestruturas In2O3/ZnO exibiram rápida resposta para detecção de diferentes concentrações de TEA. Por fim, verificou-se que a amostra 2% In2O3/ZnO apresentou boa reprodutibilidade para detecção de 20 ppm de TEA a 350 °C e uma resposta equivalente a 21,2 para detecção de 100 ppm de TEA em atmosfera com U.R. de 98%, confirmando o desempenho aprimorado de detecção de TEA da heteroestrutura 2% In2O3/ZnO.

Advances in the science and technology of volatile organic compounds (VOCs) sensors are important for the sustainable development of functional materials. Therefore, there is a need to improve the sensitivity, response time and lifetime of sensors. This work studies the influence of the ZnO-based sensor modification with In2O3, to detect VOCs. In this sense, the following syntheses were carried out: (i) synthesis of pure ZnO structures and (ii) synthesis of In2O3/ZnO heterostructures in the proportion of 1, 2 and 3% of In2O3 by mass in relation to ZnO. For the synthesis of materials, the ultrasonic spray nozzle was used in conjunction with hydrothermal method assisted by microwave. The synthesized materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Through the SEM images, it was found that the ZnO-based sensor presented a morphology called twin-rods. The VOCs detection tests were carried out under dry air and under a relative humidity between 26-98%. The VOC detection tests confirmed that the sensors based on ZnO and In2O3/ZnO heterostructures showed high selectivity to triethylamine (TEA), in comparison with the tested VOCs: acetone, butanone, benzene, isopropanol, ethanol, and methanol. It was found that the formation of the In2O3/ZnO heterostructure decreased the optimal operating temperature by 50 °C, compared to the sensor containing only ZnO. A sensitivity test was performed with the ZnO twin-rods and the In2O3/ZnO heterostructures, exposing them to different concentrations of TEA (1-200 ppm) in their respective optimal operating temperatures. For only 1 ppm, the responses achieved were 2.6; 3.1; 6.2 and 3.3 for sensors based on ZnO and 1% In2O3/ZnO, 2% In2O3/ZnO, and 3% In2O3/ZnO heterostructures, respectively, showing that the sample 2% In2O3/ZnO has improved sensitivity to TEA. The ZnO twin-rods and the In2O3/ZnO heterostructures exhibited a fast response to detect different concentrations of TEA by analyzing the response times. It was also found that the 2% In2O3/ZnO sample has good stability for detecting 20 ppm of TEA at 350 °C and a response equivalent to 21.2 for detecting 100 ppm of TEA in an atmosphere with relative humidity of 98%, confirming the improved TEA detection performance of the 2% In2O3/ZnO heterostructure.