Oxid de grafenă redus decorat cu nanoparticule de SnO2:Fe utilizate ca senzori de umiditate
Autor: Dana Toloman, Adriana Paula Popa, Manuela Stan, Ioan Ovidiu Pană, Crina Socaci
Cuvinte cheie: nanoparticule compozite, senzori de umiditate
Aplicații
Dezvoltarea senzorilor de umiditate reprezintă o provocare continuă pentru comunitatea științifică. Aceste dispozitive sunt esențiale pentru menținerea unui mediu de viață sănătos și confortabil având aplicații în diverse sectoare cum ar fi: spitale, muzee, industria textilă și cea de prelucrare a alimentelor.
Utilizarea materialelor nanostructurate a reprezentat un pas deosebit de important în dezvoltarea accelerată de noi clase de senzori simpli, dar fiabi.
Aspecte inovative
Senzorii de umiditate de ultimă generație au în componența lor oxizi semiconductori nanostructurați de tipul ZnO, SnO2. Procesul de detecție se bazează pe adsorbția moleculelor de apă pe suprafața oxidului, fapt ce determină modificarea conductivității materialului.
Caracteristicile pe care un senzor de umiditate trebuie să le îndeplinească − astfel încât să devină atractiv din punct de vedere economic − sunt: senzitivitate ridicată, timp de răspuns rapid, stabilitate chimică și fizică, interval larg de detecție și cost redus.
Există mai multe metode de îmbunătățire a senzitivității senzorilor de umiditate, cum ar fi: dopajul cu ioni tranziționali a materialului semiconductor, realizarea unor materiale compozite prin cuplajul cu alt material semiconductor sau cu materiale pe bază de carbon.
Prin utilizarea oxidului de grafenă (GO) ca suport pentru materialul semiconductor se asigură o mai bună dispersie a nanoparticulelor, facilitând contactul acestora cu moleculele de apă. Mai mult, prezența acestuia poate conduce la creșterea senzitivității senzorului, întrucât moleculele de apă se integrează mai eficient în structura grafenei chiar și la umiditate scăzută.
Soluția tehnologică furnizată de grupul nostru este următoarea: decorarea oxidului de grafenă redus (rGO) cu nanoparticule de SnO2 dopat cu ioni de Fe, optimizând raportul dintre cele două componente astfel încât să avem o senzitivitate de detecție a umiditătii mare.
Materialul compozit obținut prezintă o senzitivitate de 5 ori mai mare decât cea a nanoparticulelor de SnO2 dopat cu ioni de Fe. Intervalul de umiditate relativă (RH) în care materialul compozit poate fi utilizat este de 25−100% RH.
Tehnologia
Nanoparticulele de SnO2 dopat cu ioni de Fe3+ (1%) au fost preparate prin metoda precipitării. Dimensiunea nanoparticulelor este de 17 nm. Nanocompozitul SnO2:Fe-rGO s-a obținut prin interacția electrostatică dintre nanoparticulele de SnO2 dopat încărcate pozitiv și rGO încărcat cu sarcini negative.
Formarea compozitului poate fi ușor confirmată prin difracție de raze X și microscopie electronică în transmisie. Testarea materialului ca senzor de umiditate s-a făcut prin măsurarea rezistivității electrice la o frecvență dată în funcție de umiditatea relativă.
Avantaje
- Distribuția îngustă a dimensiunii nanoparticulelor (10−20nm) asigură o suprafață de contact mare cu moleculele de apă
- Utilizarea rGO ca suport pentru nanoparticule facilitează adsorbția moleculelor de apă atât datorită structurii sale poroase, cât și prin asigurarea un grad de dispersie ridicat al nanoparticulelor
- Metoda de preparare nu implică infrastructură sofisticată şi se poate face cu costuri de producţie redus