25/05/2016

Una nova nanoestructura tridimensional fa més efectiva la detecció de gasos

El grup de recerca MINOS (Microsistemes i Nanotecnologies per l’Anàlisi Química) de la URV, un dels grups que integren el Centre de Recerca EMaS, ha publicat nous resultats sobre la síntesi de nanomaterials inorgànics amb excel·lents propietats per detectar de gasos. Es tracta, d’una banda, de la creació d’una nova nanoestructura en tres dimensions que afavoreix l’obtenció de sensibilitats molt elevades. I de l’altra, han aconseguit la síntesi de nanofils d’òxid de tungstè amb els quals han permès desenvolupar sensors ultrasensibles i molt selectius a l’hidrogen pràcticament a temperatura ambient

Un exemple de les agrupacions autoorganitzades de nanocolumnes d’òxid de tungstè (esquerra) i nanotubs (mig) i dreta, obtingudes mitjançant anodització assistida per alúmina porosa anòdica . La dimensió externa dels nanotubs és de cent nanòmetres. Les dimensions de les estructures són de prop d’un micròmetre, 10 a la -6 metres. Són com deu vegades més llargues que no pas de diàmetre.

En la primera de les recerques, els investigadors han obtingut una estructura nova, agrupacions autoorganitzades de nanotubs (per tant, amb l’interior buit) de triòxid de tungstè. En aquesta estructura, els nanotubs estan separats, disposats en paral·lel i perpendicularment alineats al substrat que els suporta. L’agrupació tridimensional de nanotubs de triòxid de tungstè ofereix una superfície molt elevada per reaccionar amb gasos (per exemple, l’hidrogen), que la fa molt interessant per desenvolupar sensors molt més sensibles que els tradicionals basats en capes planes que ofereixen molt poca superfície sensora.

En aquesta recerca han modificat les condicions d’anodització per fer créixer el triòxid de tungstè i així disposar d’una estructura radicalment diferent. Si fins ara s’havien aconseguit fer créixer nanocolumnes (per tant, amb l’interior ple) de triòxid de tungstè, sobre un suport del mateix element, ara han crescut nanotubs ordenats i separats sobre un suport de tungstè metàl·lic. Els investigadors estan convençuts que aquesta nova estructura millorarà la sensibilitat sensora, perquè suposa pràcticament l’optimització total de la geometria dels dispositius. D’una banda, les estructures tridimensionals permeten que els gasos s’hi difonguin amb facilitat i ofereixin superfícies específiques molt elevades per a la interacció sòlid-gas, la qual cosa afavoreix obtenir elevades sensibilitats. De l’altra, el fet que les càrregues elèctriques es trobin confinades en la superfície (pel feble gruix de les parets dels nanotubs), suposarà que la conductivitat dels nanotubs es vegi molt afectada per la presència dels gasos.

Eduard LLobet, director del grup MINOS (Microsistemes i Nanotecnologies per l'Anàlisi Química).
Eduard Llobet, director del grup MINOS (Microsistemes i Nanotecnologies per l’Anàlisi Química).

El treball és fruit d’una col·laboració del grup MINOS, dirigit pel professor Eduard Llobet, amb el grup del doctor Alexander Mozalev, de la Universitat Tecnològica de Brno (República Txeca) i els resultats es publiquen a la revista Journal of Materials Chemistry A de la Reial Societat de Química. La col·laboració entre el doctor Mozalev i el grup MINOS es va iniciar fa uns deu anys durant els quals s’han publicat onze articles conjunts en revistes indexades. A mitjan juny el doctor Mozalev tornarà a Tarragona amb aquests dispositius creats, ja encapsulats, per mesurar-los en presència de gasos i poder contrastar-ne les propietats.

Detecció de l’hidrogen diluït en aire a temperatura ambient

El segon treball que han publicat relacionat amb la millora de la detecció de gasos és el desenvolupament, per primer cop, de la síntesi de nanofils d’òxid de tungstè monocristal·lins, decorats amb nanopartícules d’òxid de pal·ladi, de diàmetre controlat i uniformement dispersades. En catàlisi, des de fa molts anys es coneix que el pal·ladi presenta propietats de dissociar les molècules d’hidrogen, és a dir, fa de catalitzador. Separa l’hidrogen, que  després reacciona amb la superfície de triòxid de tungstè. Aquesta recerca ha permès fer créixer nanofils de triòxid de tungstè i s’ha vist que són ultrasensibles a l’hidrogen. Amb aquest treball han pogut mesurar concentracions baixes d’hidrogen en l’ambient i amb temperatures moderades, fins i tot han aconseguit respostes importants a temperatura ambient.

No és habitual que els òxids metàl·lics presentin bones respostes a temperatura ambient. El que es va postular en aquest treball de recerca és que l’òxid de pal·ladi, un material semiconductor tipus p, en presència de l’hidrogen es transformava en un hidrur de pal·ladi, que és bàsicament metàl·lic. Aquest canvi a metall explica per què es produeix aquesta resposta a temperatura ambient.

A més d’haver obtingut dispositius molt sensibles a l’hidrogen, els màxims fins al moment, també s’ha pogut demostrar el mecanisme de funcionament. Els investigadors han contrastat la possibilitat de detectar hidrogen diluït en aire (unitats de parts per milió) operant el sensor a baixa temperatura o fins i tot a temperatura ambient. L’addició de les nanopartícules d’òxid de pal·ladi permet incrementar la resposta a l´hidrogen de l’òxid de tungstè en tres ordres de magnitud i minimitzar la interferència de la humitat ambient.

Es tracta d’una col·laboració internacional entre el grup de recerca de la URV i el Departament de Química de la University College London (Regne Unit), l’Institut Josef Stefan (Eslovènia), la Universitat Tecnològica de Brno (República Txeca) i el Grup de Química de les Interaccions Plasma-Superfície de la Universitat de Mons (Bèlgica) Els resultats apareixen publicats a la Revista ACS Applied Materials and Interfaces de la Societat Americana de Química.

Referències bibliogràfiques:

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


Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà.

*