Micrometric Co3O4 coated with metal-organic framework ZIF-67 for selective detection of volatile organic compounds

Abstract

O objetivo desse trabalho foi sintetizar o óxido de cobalto (II) dicobalto (III) (Co3O4) puro, juntamente com a síntese de Co3O4/ZIF-67, para a detecção de moléculas orgânicas voláteis. O estudo foi composto pela avaliação do uso do óxido de cobalto puro como sensor de gás em comparação com o sensor produzido a partir do óxido revestido com nanopartículas de ZIF-67 (Co3O4/ZIF-67), a fim de aprimorar a resposta, bem como a seletividade e o tempo de resposta para a detecção de VOCs. O sensor de Co3O4 foi preparado empregando o método hidrotérmico assistido por micro-ondas, ao passo que o Co3O4/ZIF-67 foi obtido utilizando o método de refluxo, utilizando o óxido puro preparado inicialmente e o ligante orgânico 2-metilimidazol. Os resultados de caracterização desses materiais demonstraram que as amostras não apresentaram impurezas. As respostas dos sensores foram avaliadas na faixa de 100 partes por milhão (100 ppm) dos VOCs: metanol, acetona, 2-butanona, m-xileno, tolueno e benzeno, variando a temperatura de operação na faixa de 200- 275°C. A maior resposta para o sensor Co3O4 foi de 20,05 para tolueno a 250 °C, ao passo que para o sensor Co3O4/ZIF-67 a maior resposta foi de 61,22 para o tolueno a 250 °C.

The aim of this work was to synthesize pure cobalt (II) dicobalt (III) oxide (Co3O4), together with the synthesis of Co3O4/ZIF-67, for the detection of volatile organic molecules. The study consisted of evaluating the use of pure cobalt oxide as a gas sensor in comparison with the sensor prepared from the oxide coated with ZIF-67 nanoparticles (Co3O4/ZIF-67) in order to improve the response, selectivity and response time for the detection of VOCs. The Co3O4 sensor was prepared by the microwaveassisted hydrothermal method, while Co3O4/ZIF-67 was obtained by the reflux method using the initially prepared pure oxide and the organic 2-methylimidazole ligand. The characterizations results of these materials showed that the samples were free from impurities. The sensor responses were evaluated in the range of 100 parts per million (100 ppm) of the VOCs: methanol, acetone, 2-butanone, m-xylene, toluene and benzene, varying the operating temperature in the range of 200-275°C. The highest response for the Co3O4 sensor was 20.05 for toluene at 250°C, while the highest response for the Co3O4/ZIF-67 sensor was 61.22 for toluene at 250°C.