Sensores à base de CeO2 e óxido de grafeno reduzido/CeO2 para detecção de CO2 ou compostos orgânicos voláteis

Abstract

No presente estudo, avaliou-se o efeito do controle morfológico e da modificação com óxido de grafeno reduzido (RGO) nas propriedades de nanoestruturas de CeO2 como sensores químico-resistivos para detecção de CO2 ou compostos orgânicos voláteis (COVs). Os materiais foram sintetizados pelo método hidro/solvotérmico assistido por micro-ondas, sendo posteriormente caracterizados pelas técnicas de difratometria de raios X, microscopias eletrônicas de varredura e transmissão, espectroscopia na região do infravermelho, espectroscopia Raman, análise de área superficial específica, espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X, e análise da função de distribuição de pares atômicos obtida pelo espalhamento total de raios X. A detecção de CO2 foi estudada utilizando as nanoesferas ocas do tipo gema-casca de CeO2, com o objetivo de avaliar o efeito do controle morfológico nas propriedades do material como sensor. Os testes foram realizados a 100 °C e em umidade relativa (UR) entre 30 e 70%. Foi verificado que as nanoesferas ocas de CeO2 exibiram maior sensibilidade ao CO2, elevada estabilidade, reversibilidade e respostas mais rápidas em comparação às nanopartículas comerciais de CeO2. Tais melhorias puderam ser atribuídas à estrutura oca e porosa, que permite maior difusão de gases e tem maior área superficial. Assim, foi evidenciado o efeito positivo do controle morfológico no superior desempenho do sensor de CO2. Já os testes como sensor de COVs foram conduzidos para nanoesferas de CeO2 puras e nanocompósitos RGO/CeO2 contendo diferentes concentrações de RGO, de modo a estudar o impacto da modificação do CeO2 com RGO. Os estudos foram realizados a temperatura ambiente (23,7 °C) e UR entre 34 e 70%. Todos os sensores produzidos foram mais sensíveis e seletivos para a trietilamina, quando comparado aos outros COVs analisados. Contudo, os nanocompósitos RGO/CeO2 apresentaram um aumento de sensibilidade e seletividade em relação às nanoesferas de CeO2 puras, mostrando que a modificação com RGO também pode ser empregada para melhorar o desempenho do sensor à base de CeO2. Assim, esse estudo apresenta duas abordagens diferentes para obtenção de sensores à base de CeO2 altamente sensíveis a CO2 e COVs, cuja operação se dá em condições de baixas temperaturas e em presença de umidade.

In this study, the effect of morphological control and modification with reduced graphene oxide (RGO) were evaluated on the properties of CeO2 nanostructures as chemoresistive sensors for the detection of CO2 or volatile organic compounds (VOCs). The materials were synthesized by the microwave-assisted hydro/solvothermal method and were further characterized by the techniques of X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy, infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, specific surface area analysis, X-ray photoelectron spectroscopy, and pair distribution function analysis obtained by total X-ray scattering. The detection of CO2 was performed by using the hollow yolk-shell CeO2 nanospheres to evaluate the effect of morphological control on the material’s sensing properties. The tests were carried out at 100 °C and in relative humidity (RH) between 30 and 70%. It was found that hollow CeO2 nanospheres exhibited greater sensitivity to CO2, higher stability, reversibility, and faster responses than commercial CeO2 nanoparticles. Such improvements could be attributed to the hollow and porous structure, which allows for greater diffusion of gases and higher surface area. Thus, the positive effect of morphological control on the superior performance of the CO2 sensor was shown. The tests as VOC sensors were conducted for pure CeO2 nanospheres and RGO/CeO2 nanocomposites containing different concentrations of RGO to study the impact of the modification of CeO2 with RGO. The studies were carried out at room temperature (23.7 °C) and RH between 34 and 70%. All sensors were more sensitive and selective for triethylamine when compared to other VOCs. However, the RGO/CeO2 nanocomposites showed an increase in sensitivity and selectivity compared to pure CeO2 nanospheres, showing that the modification with RGO can also be used to improve the performance of CeO2-based sensor. Thus, this study presents two different approaches to obtain sensors based on CeO2 that are highly sensitive to CO2 and VOCs, which operate under conditions of low temperatures and in the presence of humidity.