A polianilina montmorilonita de resposta rápida e recuperação reduz o material nanocompósito de polímero de óxido de grafeno para detecção de gás cianeto de hidrogênio

Dec 22, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8074 (2023) Citar este artigo

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No presente trabalho, desenvolvemos um sensor de gás baseado em polímero. Os nanocompósitos poliméricos são sintetizados pela polimerização química oxidativa da anilina com persulfato de amônio e ácido sulfúrico. O sensor fabricado é capaz de atingir uma resposta de detecção de 4,56% para PANI/MMT-rGO a 2 ppm de gás cianeto de hidrogênio (HCN). A sensibilidade dos sensores PANI/MMT e PANI/MMT-rGO são 0,89 ppm−1 e 1,1174 ppm−1 respectivamente. O aumento na sensibilidade do sensor pode ser devido a um aumento na área superficial fornecida pelo MMT e rGO, que forneceram mais locais de ligação para o gás HCN. A resposta de detecção do sensor aumenta à medida que a concentração do gás exposto aumenta, mas satura após 10 ppm. O sensor se recupera automaticamente. O sensor é estável e pode funcionar por 8 meses.

O vapor de cianeto de hidrogênio (HCN) é extremamente perigoso para o organismo vivo. O gás HCN quando inalado aumenta o nível de ingestão de oxigênio pela célula1,2,3. O nível tóxico do gás HCN é superior a 100 ppm e quando exposto pode matar um ser humano em 1 h4. A tragédia do gás em Bhopal em 1984 matou 3.787 pessoas inocentes em uma única noite. Esta tragédia poderia ter sido evitada se algum sistema de alarme de alerta (sensor de gás) fosse instalado. A detecção de vestígios de gases tóxicos (amônia, dimetilmetilfosfonato (DMMP), monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, HCN) é importante para prevenir um acidente fatal. Assim, são necessários a fabricação e o desenvolvimento de narizes eletrônicos em nível micro e nano. A fabricação de sensores de gás utilizando nanoestruturas aumenta a sensibilidade dos sensores. O aumento da área superficial devido às nanopartículas aumenta os locais de ligação do gás. Um sensor é um dispositivo que ao receber um estímulo responde com um sinal elétrico5,6,7,8,9,10. Os sensores de resistência química funcionam com base no princípio da mudança na resistência na exposição ao gás. Um sensor padrão deve satisfazer as seguintes características, como operação em temperatura ambiente, trabalho em ambiente ambiente e sem necessidade de suprimento de oxigênio ou ar, sem necessidade de estímulo externo, capacidade de detectar gases tóxicos em baixa concentração, alta sensibilidade e reprodutibilidade, resposta e recuperação rápidas, baixo custo e ecologicamente corretas11.

Os sensores de gás condutores baseados em polímeros apresentam inúmeras vantagens sobre os sensores de óxido metálico, como alta sensibilidade, curto tempo de resposta, operação em temperatura ambiente e podem ser ajustados pela natureza do dopante. A sensibilidade do sensor de gás de base polimérica é alta devido à grande relação superfície-volume, tamanho compacto, leve e fácil de integrar com o sistema eletrônico existente12. Muitos pesquisadores ao redor do mundo prestam atenção ao material nanocompósito polimérico (orgânico-inorgânico) devido às suas propriedades únicas, como aumento da flexibilidade, melhoria da dureza superficial e resistência ao calor (devido aos componentes inorgânicos)8,9,10,13,14,15 . Yang et al.16 relataram a detecção do gás HCN pela técnica de microbalança de cristal de quartzo (QCM)16,17.

Aqui estamos relatando pela primeira vez a detecção do gás HCN pelo método de resistência química com resposta rápida. No presente trabalho, sintetizamos o nanocompósito Polianilina/MMT-rGO por polimerização química oxidativa. Usamos o PANI como material de detecção neste estudo devido à sua estabilidade, alta sensibilidade, boa condutividade elétrica, baixo custo e facilidade de síntese em laboratório. rGO fornece mais locais de ligação devido à sua alta área superficial, estabilidade térmica e condutividade elétrica. A montmorilonita (MMT) é utilizada como material sensor no presente estudo devido à sua alta área superficial, estrutura porosa (que fornece a grande área superficial), alto coeficiente de adsorção, facilidade de propriedade ajustável (funcionalização), respeito ao meio ambiente e baixo custo . O material nanocompósito polimérico sintetizado é caracterizado por SEM, FTIR e XRD. Podemos alcançar uma resposta de detecção de 4,56% para PANI/MMT-rGO a 2 ppm de gás cianeto de hidrogênio (HCN). O sensor recupera a linha de base após cada exposição de HCN. O sensor está estável e funcionando com sucesso nos últimos 9 meses.