Dispositivos sensores de compostos orgânicos voláteis baseados em heteroestruturas ocas de ZnO/semicondutores do tipo-p
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Data
2022-05-19
Autores
Perfecto, Tarcísio Micheli
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Desenvolver um material para detectar compostos orgânicos voláteis (VOC) não é mais um desafio, apesar de seu grande interesse. A dificuldade está ligada ao desenvolvimento de um material que não sofra interferências, como umidade, outros gases ou voláteis presentes nas análises. Nesse sentido, este trabalho tem como foco desenvolver esferas ocas de óxido de zinco (ZnO) e modificá-las de uma nova forma com nanofolhas de sulfeto de níquel (II) (NiS), um material pouco estudado na literatura, para aumentar a seletividade de detecção de butanona e reduzir o efeito negativo ocasionado pela umidade. Ainda, objetiva-se desenvolver um dispositivo miniaturizado para acoplagem desse sensor. A esfera oca de ZnO (H-ZnO) foi sintetizada por meio do método solvotérmico assistido por micro-ondas seguido de calcinação. As heteroestruturas de NiS-H-ZnO foram produzidas pela deposição de nanofolhas de NiS nas estruturas H-ZnO usando tioacetamida e acetato de níquel (II) tetrahidrato como precursores de NiS. Em atmosfera seca, o H-ZnO puro apresenta a melhor resposta de detecção de butanona, 705,3 para 100 ppm, seguido pela heteroestrutura 5%-NiS-H-ZnO com uma resposta de 123,8. No entanto, a seletividade de 5%-NiS-H-ZnO é muito maior e atinge um valor de 12,9, que é mais de quatro vezes maior do que a seletividade do H-ZnO puro (3,1). Além disso, o desempenho em ambientes úmidos mostra que as heteroestruturas de NiS sofrem menos efeito da umidade. As respostas para 100 ppm de butanona sob 55% de umidade relativa foram 40,2 e 23,7 para 5%-NiS-H-ZnO e H-ZnO puro, respectivamente. Portanto, o sensor de butanona desenvolvido demonstrou excelente resposta, seletividade e uma possibilidade promissora para seu uso prático em dispositivos de detecção em condições reais de umidade. Assim, foi desenvolvido um protótipo miniaturizado, baseado em um microcomputador (Raspberry Pi 4), para utilização deste sensor na aplicação prática de detecção de butanona.
Developing a material to detect volatile organic compounds (VOC) is no longer a challenge, despite its great interest. The difficulty is linked to the developing of a material that does not suffer from interferences, such as humidity, other gases or volatiles present in the analyzes. In this sense, this work focuses on developing zinc oxide (ZnO) hollow spheres and modifying them in a new way with nickel (II) sulfide nanosheets (NiS), a material barely studied in the literature, to increase selectivity detection of butanone and reduce the negative effect caused by humidity, in addition to developing a miniaturized device for coupling this sensor. The ZnO hollow sphere (H-ZnO) was synthesized via a microwave-assisted solvothermal method followed by calcination. The NiS-H-ZnO heterostructures were produced by the deposition of NiS nanosheets on H-ZnO using thioacetamide and nickel (II) acetate tetrahydrate as NiS precursors. Under dry conditions, pure H-ZnO presents the best sensing response of 705.3 to 100 ppm of butanone followed by the 5%-NiS-H-ZnO heterostructure with a response of 123.8. However, the selectivity of 5%-NiS-H-ZnO improves and reaches a value of 12.9, which is more than four times higher than the selectivity of pure H-ZnO (3.1). Furthermore, the performance under humidity atmospheres shows that NiS heterostructures suffer less effect of the humidity. The responses to 100 ppm of butanone under 55% of relative humidity were 40.2 and 23.7 for 5%-NiS-H-ZnO and pure H-ZnO, respectively. Therefore, the developed butanone sensor demonstrated excellent response, selectivity, and a promising possibility for its practical use in detection devices in real humidity conditions. Thus, a miniaturized prototype was developed, based on a microcomputer (Raspberry Pi 4), for the use of this sensor in the practical application of butanone detection.
Developing a material to detect volatile organic compounds (VOC) is no longer a challenge, despite its great interest. The difficulty is linked to the developing of a material that does not suffer from interferences, such as humidity, other gases or volatiles present in the analyzes. In this sense, this work focuses on developing zinc oxide (ZnO) hollow spheres and modifying them in a new way with nickel (II) sulfide nanosheets (NiS), a material barely studied in the literature, to increase selectivity detection of butanone and reduce the negative effect caused by humidity, in addition to developing a miniaturized device for coupling this sensor. The ZnO hollow sphere (H-ZnO) was synthesized via a microwave-assisted solvothermal method followed by calcination. The NiS-H-ZnO heterostructures were produced by the deposition of NiS nanosheets on H-ZnO using thioacetamide and nickel (II) acetate tetrahydrate as NiS precursors. Under dry conditions, pure H-ZnO presents the best sensing response of 705.3 to 100 ppm of butanone followed by the 5%-NiS-H-ZnO heterostructure with a response of 123.8. However, the selectivity of 5%-NiS-H-ZnO improves and reaches a value of 12.9, which is more than four times higher than the selectivity of pure H-ZnO (3.1). Furthermore, the performance under humidity atmospheres shows that NiS heterostructures suffer less effect of the humidity. The responses to 100 ppm of butanone under 55% of relative humidity were 40.2 and 23.7 for 5%-NiS-H-ZnO and pure H-ZnO, respectively. Therefore, the developed butanone sensor demonstrated excellent response, selectivity, and a promising possibility for its practical use in detection devices in real humidity conditions. Thus, a miniaturized prototype was developed, based on a microcomputer (Raspberry Pi 4), for the use of this sensor in the practical application of butanone detection.
Descrição
Palavras-chave
Sensores, Óxidos metálicos, Sulfetos, Heterojunção, Miniaturização, Sensors, Metal oxides, Sulfides, Heterojunction, Miniaturization