25/05/2016

Una nueva nanoestructura tridimensional hace más efectiva la detección de gases

El grupo de investigación MINOS (Microsistemas y Nanotecnologías por el Análisis Químico) de la URV, uno de los grupos que integran el Centro de Investigación EMaS, ha publicado nuevos resultados sobre la síntesis de nanomateriales inorgánicos con excelentes propiedades para detectar de gases. Se trata, por un lado, de la creación de una nueva nanoestructura en tres dimensiones que favorece la obtención de sensibilidades muy elevadas. Y de la otra, han conseguido la síntesis de nanohilos de óxido de tungsteno con los cuales han permitido desarrollar sensores ultrasensibles y muy selectivos al hidrógeno, prácticamente a temperatura ambiente

Un ejemplo de las agrupaciones autoorganizadas de nanocolumnas de óxido de tungsteno (izquierda) y nanotubos (medio) y derecha, obtenidas mediante anodización asistida por alúmina porosa anódica. La dimensión externa de los nanotubos es de cien nanómetros. Las dimensiones de las estructuras serían de aproximadamente un micrómetro, 10 a la -6 metros. Son como diez veces más largas que de diámetro.

En el primero de los trabajos, los investigadores han obtenido una estructura nueva, agrupaciones autoorganizadas de nanotubos (por lo tanto, con el interior vacío) de trióxido de tungsteno. En esta estructura, los nanotubos están separados, dispuestos en paralelo y perpendicularmente alineados al sustrato que los soporta. La agrupación tridimensional de nanotubos de trióxido de tungsteno ofrece una superficie muy elevada para reaccionar con gases (por ejemplo, el hidrógeno), que la hace muy interesante para desarrollar sensores mucho más sensibles que los tradicionales basados en capas planas que ofrecen muy poca superficie sensora.

En esta investigación han modificado las condiciones de anodización para hacer crecer el trióxido de tungsteno y así disponer de una estructura radicalmente diferente. Si hasta ahora habían conseguido hacer crecer nanocolumnas (por lo tanto, con el interior lleno) de trióxido de tungsteno, sobre un apoyo del mismo elemento, ahora han crecido nanotubos ordenados y separados sobre un apoyo de tungsteno metálico. Los investigadores están convencidos que esta nueva estructura mejorará la sensibilidad sensora, ya que supone prácticamente la optimización total de la geometría de los dispositivos. Por un lado, las estructuras tridimensionales permiten que los gases se difundan con facilidad y ofrezcan superficies específicas muy elevadas para la interacción sólido-gas, lo cual favorece obtener elevadas sensibilidades. De la otra, el hecho que las cargas eléctricas se encuentren confinadas en la superficie (por el débil grueso de las paredes de los nanotubos), supondrá que la conductividad de los nanotubos se vea muy afectada por la presencia de los gases.

Eduard LLobet, director del grup MINOS (Microsistemes i Nanotecnologies per l'Anàlisi Química).
Eduard Llobet, director del grupo MINOS (Microsistemas y Nanotecnologías para el Análisis Químico).

El trabajo es fruto de una colaboración del grupo MINOS de la URV, dirigido por el profesor Eduard Llobet, con el grupo del doctor Alexander Mozalev, de la Universidad Tecnológica de Brno (República Checa) y los resultados se publican a la revista Journal of Materials Chemistry A de la Real Sociedad de Química. La colaboración entre el doctor Mozalev y el grupo MINOS se inició hace unos diez años durante los cuales se han publicado once artículos conjuntos en revistas indexadas. A mediados de junio el doctor Mozalev volverá a Tarragona con estos dispositivos creados, ya encapsulados, para medirlos en presencia de gases y poder contrastar las propiedades.

Detección del hidrógeno diluido en aire a temperatura ambiente

El segundo trabajo que han publicado relacionado con la mejora de la detección de gases es el desarrollo, por primera vez, de la síntesis de nanohilos de óxido de tungsteno monocristalinos, decorados con nanopartículas de óxido de paladio, de diámetro controlado y uniformemente dispersadas. En catálisis, desde hace muchos años se conoce que el paladio presenta propiedades de disociar las moléculas de hidrógeno, es decir, hace de catalizador. Separa el hidrógeno, que después reacciona con la superficie de trióxido de tungsteno. Esta investigación ha permitido hacer crecer nanohilos de trióxido de tungsteno y se ha visto que son ultrasensibles al hidrógeno. Con este trabajo han podido medir concentraciones bajas de hidrógeno en el ambiente y con temperaturas moderadas, incluso han conseguido respuestas importantes a temperatura ambiente.

No es habitual que los óxidos metálicos presenten buenas respuestas a temperatura ambiente. Lo que se postuló en este trabajo de investigación es que el óxido de paladio, un material semiconductor tipo p, en presencia del hidrógeno se transformaba en un hidruro de paladio, que es básicamente metálico. Este cambio a metal explica por qué se produce esta respuesta a temperatura ambiente.

Además de haber obtenido dispositivos muy sensibles al hidrógeno, los máximos hasta el momento, también se ha demostrado el mecanismo de funcionamiento. Los investigadores han contrastado la posibilidad de detectar hidrógeno diluido en aire (unidades de partes por millón) operando el sensor a baja temperatura o incluso a temperatura ambiente. La adición de las nanopartículas de óxido de paladio permite incrementar la respuesta al hidrógeno del óxido de tungsteno en tres órdenes de magnitud y minimizar la interferencia de la humedad ambiente.

Se trata de una colaboración internacional entre el grupo de investigación de la URV y el Departamento de Química de la University College London (Reino Unido), el Instituto Josef Stefan (Eslovenia), la Universidad Tecnológica de Brno (República Checa) y el Grupo de Química de las Interacciones Plasma-Superficie de la Universidad de Mundos (Bélgica) Los resultados aparecen publicados a la Revista ACS Applied Materials and Interfaces de la Sociedad Americana de Química.

Referencias bibliográficas:

Alexander Mozalev, Maria Bendova, Francesc Gispert-Guirado, Zdenek Pytlicek and Eduard Llobet. “Metal-substrate-supported tungsten-oxide nanoarrays via porous-alumina-assisted anodization: From nanocolumns to nanocapsules and nanotubes”. Journal of Materials Chemistry  A, 2016, 4, 8219–8232. DOI: 10.1039/C6TA02027E, Paper.

Fatima. E. Annanouch, Z. Haddi, M. Ling, F. Di Maggio, S. Vallejos, T. Vilic, Y. Zhu, T. Shujah, P. Umek, C. Bittencourt, C.  Blackman, and E. Llobet. “Aerosol-Assisted CVD-Grown PdO Nanoparticle-Decorated Tungsten Oxide Nanoneedles Extremely Sensitive and Selective to Hydrogen” ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 10413−10421. DOI: 10.1021/acsami.6b00773


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