Functionalized carbon nanotubes for detecting traces of benzene vapours employing screen-printed resistive and resonant transducers

Abstract

Capes de nanotubs de carboni de múltiples parets (MWCNTs) s'han dipositat sobre diferents substrats transductors per a aplicacions de detecció de gasos. MWCNTs tractats amb plasma d'oxigen, anomenats O-MWCNTs, han estat un element fonamental per al desenvolupament de nanomaterials sensibles a diferents gasos. Inicialment, els O-MWCNTs es van estudiar com a element sensible en dispositius sensors de gasos de tipus resistiu. Els compostos orgànics volàtils (COV) com ara benzè, toluè, etanol, metanol i acetona es van utilitzar per a caracteritzar aquesta capa sensible. Els sensors van mostrar bona sensibilitat i excel·lent recuperació de la línia de base en presència de vapors de benzè o toluè en comparació amb els altres VOCs estudiats. També, els O-MWCNTs es van estudiar com a nanomaterials adsorbents dipositats en micropalanques ressonants piezoelèctriques PZT fabricades per serigrafia. En un segon pas, es va modificar l'elèctrode superior per convertir-lo en interdigitat amb la finalitat d'obtenir un transductor que permetir emprar dos mecanismes de transducció. Aquesta configuració ens va permetre mesurar, per a un sol dispositiu, el canvi de resistència de la pel·lícula de nanotubs de carboni i el canvi de freqüència de ressonància de la micropalanca PZT després de l'exposició a compostos orgànics volàtils. Les propietats de detecció de tals sistemes han estat estudiades per contaminants com el benzè, CO i NO2. Canvis positius i negatius de la freqüència de ressonància s'observen en baixes i altes concentracions de gas, respectivament. Aquests s'atribueixen a que l'estrès o els efectes de massa es fa dominant en nivells baixos o alts de concentració de gas. Mitjançant el signe del canvi de la resistència de la pel·lícula de O-MWCNT es poden discriminar els gasos o vapors d'acord al seu caràcter oxidant o reductor. L'interès de la doble transducció s'ha demostrat en la detecció de CO. Finalment, al davant de la dificultat per detectar benzè en concentracions baixes, s'ha seguit un enfocament diferent, basat en reconeixement molecular hoste-amfitrió. Per promoure la interacció específica cap al benzè, s'ha emprat un cavitant (quinoxalina) per funcionalitzar els O- MWCNTs. La detecció de 2,5 ppb de benzè en l'aire sec es demostra com a possible i el límit de detecció (LOD), es troba prop de 600 ppm.

Capas sensibles basadas en nanotubos de carbono multi pared (MWCNTs) han sido depositadas sobre diferentes sustratos de transductores para su aplicación en sensores de gases. MWCNTs tratados con plasma de oxígeno, llamados O-MWCNTs, han sido el compuesto básico para el desarrollo de otros nanomateriales sensibles a gases. Primero, O-MWCNTs fueron estudiados como sensores de gas resistivos. Compuestos orgánicos volátiles (COVs) como benceno, tolueno, etanol, y acetona fueron usados para caracterizar esta capa sensible. Los sensores muestran una buena sensibilidad y una recuperación excelente de la línea de base en presencia de vapores de benceno o tolueno en comparación a otros COVs probados. O-MWCNTs fueron estudiados como nanomateriales adsorbentes depositados sobre micropalancas resonantes piezoeléctricas de PZT fabricadas por serigrafía multi-capa. En segundo término, una modificación del electrodo superior en forma de dos electrodos interdigitados fue implementada con el objetivo de obtener un elemento transductor capaz de implementar dos mecanismo de transducción. Esta configuración nos ha permitido medir, con un solo dispositivo, el cambio en la resistencia de la capa de los nanotubos de carbono y el desplazamiento de la frecuencia de resonancia de la micropalanca PZT bajo exposicion a los COVs. Las propiedades de detección de estos sistemas han sido estudiadas para los contaminantes benceno, CO y NO2. Desplazamientos positivos y negativos de la frecuencia de resonancia son observados a bajas y altas concentraciones, respectivamente. Esto es atribuido a los efectos de estrés y de masa convirtiéndose en dominantes a bajos o altos niveles de concentración. Monitorizando la resistencia de la capa de los O-MWCNTs de tipo-p ayuda a discriminar los gases/vapores en acuerdo con sus caracteres oxidante o reductor. El interés de la doble transducción ha sido demostrado con la detección de CO. Finalmente, frente a la dificultad de detectar benceno a baja concentración, un enfoque diferente basado en el reconocimiento molecular "host-guest" es propuesto. Para promover interacciones especificas hacia el benceno, los MWCNTS funcionalizados con un cavitando de tipo quinoxalina fueron empleados. Una detección de 2.5 ppb de benceno en aire seco es demostrado con un límite de detección (LOD) cerca de 600 ppt.

Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) base sensitive layers have been deposited onto different transducer substrates for gas sensing application. Oxygen plasma treated MWCNTs, so-called O-MWCNTs, have been a building block for developing other gas sensitive nanomaterials. At first, O-MWCNTs were studied as resistive gas sensors. Volatile organic compounds (VOCs) such as benzene, toluene, ethanol, methanol and acetone were used to characterize this sensitive layer. The sensors showed good sensitivity and excellent baseline recovery in the presence of benzene or toluene vapors compared to the others tested VOCs. O-MWCNTs were studied as adsorbent nanomaterials deposited on PZT piezoelectric resonant cantilevers fabricated by multilayer screen-printing. In the second step, a modification of the top electrode to become an interdigitated electrode was implemented in order to have a sensor transducer employing two transduction mechanisms. This configuration allowed us to measure, for a single device, the resistance change of the carbon nanotube film and the resonance frequency shift of the PZT cantilever upon exposure to VOCs. The sensing properties of such systems have been studied for benzene, CO, and NO2 contaminants. Positive and negative shifts of the resonance frequency are observed at low and high gas concentrations, respectively. These are attributed to stress or to mass effects becoming dominant at low or high gas concentration levels. Monitoring the resistance of the p-type O-MWCNT film helps discriminating gases/ vapours according to their oxidizing or reducing character. The interest of the double transduction has been demonstrated in the detection of CO. Finally, in front of the difficulty to detect benzene at low concentrations, a different approach based on the host-guest molecular recognition is proposed. To promote specific interaction toward benzene, quinoxaline-walled thioether-legged deep cavitand functionalized MWCNTs are used. The detection of 2.5 ppb of benzene in dry air is demonstrated with a limit of detection (LOD) near 600 ppt.