Co3O4-ZnO heterostructure for microbial volatile organic compounds detection

Abstract

O foco desse trabalho foi sintetizar heteroestruturas p-n e n-p à base de Co3O4-ZnO e ZnO Co3O4, derivados de estruturas metal-orgânicas (metal-organic frameworks, MOF) para detectar moléculas voláteis produzidas por micro-organismos (ex.: fungos e bactérias). Entretanto, existem poucos estudos na detecção rápida e com limite de detecção baixo de compostos orgânicos voláteis produzidos por micro-organismos (microbial volatile organic compounds, MVOCs). O estudo foi composto pela avaliação do uso de heteroestruturas p-n e n-p em comparação com a estrutura pura do óxido de cobalto (Co3O4) para aprimorar a resposta, a seletividade e o tempo de resposta na detecção de MVOCs, principalmente para o 3-metil-1- butanol. Os sensores foram preparados a partir da degradação térmica em atmosfera comum das MOFs (ZIF-8/ZIF-67) preparadas previamente por um método hidrotérmico simples, utilizando dos sais Co(NO3)2.6H2O e Zn(NO3)2.6H2O e o ligante orgânico 2-metilimidazol em água deionizada. Os resultados de caracterização desses materiais demonstraram que as amostras não apresentaram impurezas ou surgimento de fases indesejadas. As respostas dos sensores foram avaliadas na faixa de 100 partes por milhão (100 ppm) dos MVOCs: 2- nonanona, etanol, 3-metil-1-butanol, acetona e acetato de etila, variando a temperatura de operação na faixa de 190-350 °C. A maior resposta de 14,6 foi para o 3-metil-1-butanol demonstrado pelo sensor heteroestruturado Co3O4-ZnO na temperatura ótima de 270 °C. Além disso, esse sensor apresentou um bom desempenho na detecteção do 3-metil-1-butanol com a presença de atmosfera úmida em diferentes faixas de umidade relativa controlada. Por fim, foi possível observar uma melhora significativa nas propriedades sensoras da heteroestrura p-n Co3O4-ZnO em comparação ao óxido puro de Co3O4.

This work focused on synthesizing p-n and n-p heterostructures based on Co3O4-ZnO and ZnO Co3O4, derived from metal-organic frameworks (MOF) to detect volatile molecules produced by microorganisms (fungi and bacteria). However, there are few studies on the rapid detection and low detection limit of volatile organic compounds produced by microorganisms (microbial volatile organic compounds, MVOCs). The study consisted of evaluating the use of p-n and n p heterostructures in comparison with the pure structure of cobalt oxide (Co3O4) to improve the response, selectivity, and response time in the detection of MVOCs, mainly for 3-methyl- 1- butanol. The sensors were prepared from thermal degradation in a typical atmosphere of MOFs (ZIF-8/ZIF-67) previously prepared by a simple hydrothermal method, using the salts Co(NO3)2.6H2O and Zn(NO3)2.6H2O and the organic ligand 2-methylimidazole in deionized water. The characterization results of these materials demonstrated that the samples did not present impurities or the appearance of unwanted phases. Sensor responses were evaluated in the range of 100 parts per million (100 ppm) of the MVOCs: 2-nonanone, ethanol, 3-methyl-1- butanol, acetone, and ethyl acetate, varying the operating temperature in the range of 190- 350 °C. The highest response of 14.6 was for 3-methyl-1-butanol, demonstrated by the Co3O4-ZnO heterostructured sensor at the optimum temperature of 270 °C. Furthermore, this sensor performed well in detecting 3-methyl-1-butanol in a humid atmosphere in different ranges of controlled relative humidity. Finally, it was possible to observe a significant improvement in the sensing properties of the Co3O4-ZnO p-n heterostructure compared to pure Co3O4 oxide.