Gas Sensing with Modified Carbon Nanotubes, Graphene and Diamondoids

Abstract

Aquesta tesi està centrada en el desenvolupament de diferents sensors de gasos mitjançant la modificació de nanomaterials de carboni. Concretament, al llarg d’aquest treball s’han modificat nanotubs de carboni (CNT), grafè i nanodiamants, amb diferents aproximacions. Per exemple, s’ha procedit a la seva decoració amb nanopartícules d’òxids metàl·lics, la formació de monocapes auto-assemblades o la seva funcionalització amb diferents molècules o àtoms, entre altres estratègies. Malgrat que els nanomaterials de carboni presenten extraordinàries propietats electròniques, fisico-químiques, i mecàniques, encara no s’han pogut desenvolupar sensors a escala comercial basats en el seu ús. Açò és a causa de problemes intrínsecs en la detecció de molècules gasoses, com per exemple la seva baixa especificitat i limitada reactivitat. Per tant, en aquesta tesi s’han desenvolupat diversos sensors modificant els diferents nanomaterials de carboni amb la finalitat de millorar paràmetres clau en el sensat de gasos, com poden ser la selectivitat, sensibilitat i temps de resposta. A més a més, s’ha dut a terme una exhaustiva caracterització dels nous nanomaterials desenvolupats mitjançant tècniques espectroscòpiques i microscòpiques. Així mateix, s’han proposat detallats mecanismes de sensat, és a dir, s’han estudiat les interaccions fisico-químiques entre els nanomaterials i els gasos. Per tant, aquest treball ofereix una visió integral per al desenvolupament de nous sensors, des del seu disseny i caracterització, fins als seus principis de funcionament a escala atòmica. A més a més, considerant les inquietuds de la nostra societat, els sensors desenvolupats solen treballar a temperatura ambient, amb la conseqüent dràstica reducció del consum energètic. Com a conclusió, els nanomaterials de carboni desenvolupats són capaços de detectar gasos tòxics, com per exemple el diòxid de nitrogen, a concentracions traça, molt per sota dels límits establerts per la legislació.

Esta tesis está centrada en el desarrollo de distintos sensores de gases mediante la modificación de nanomateriales de carbono. Concretamente, a lo largo de este trabajo se han modificado nanotubos de carbono (CNT), grafeno y nanodiamantes, con distintas aproximaciones. Por ejemplo, se ha procedido a su decoración con nanopartículas de óxidos metálicos, la formación de monocapas autoensambladas o su funcionalización con distintas moléculas o átomos, entre otras estrategias. A pesar de las extraordinarias propiedades electrónicas, físico-químicas y mecánicas de los nanomateriales de carbono, todavía no se han podido desarrollar sensores a nivel comercial basados en su uso. Esto es debido a sus problemas intrínsecos en la detección de moléculas gaseosas, como por ejemplo su baja especificidad y limitada reactividad. Por tanto, en esta tesis se han desarrollado diversos sensores modificando los nanomateriales de carbono con la finalidad de mejorar parámetros clave en la monitorización de gases, como puede ser la selectividad, sensibilidad y tiempos de respuesta. Además, se ha llevado a cabo una exhaustiva caracterización de los nuevos nanomateriales desarrollados mediante técnicas espectroscópicas y microscópicas. Asimismo, se han propuesto detallados mecanismos de detección, es decir, se han estudiado las interacciones físico-químicas entre los nanomateriales y los gases. Por tanto, este trabajo ofrece una visión integral para el desarrollo de nuevos sensores, desde su diseño y caracterización, hasta sus principios de funcionamiento a nivel atómico. Además, considerando las inquietudes de nuestra sociedad, los sensores desarrollados suelen trabajar a temperatura ambiente, con la consiguiente drástica reducción del consumo energético. Como conclusión, los nanomateriales de carbono desarrollados son capaces de detectar gases tóxicos, como por ejemplo el dióxido de nitrógeno, a concentraciones traza, muy por debajo de los límites establecidos por la legislación.

This thesis focuses in the development of different gas sensors through the modification of carbon nanomaterials. In particular, we employed carbon nanotubes (CNT), graphene and diamondoids, with different approaches. For instance, these nanomaterials were either decorated with metal oxide nanoparticles, modified of self-assembled monolayers of thiols or functionalized with different molecules or atoms, among other strategies. Despite the outstanding properties of carbon nanomaterials, such as their electronic, physicochemical and mechanical properties, it has not been possible so far to develop commercial sensors based on these nanomaterials. The main reason is derived from their inherent problems in the gas molecule detection process, such as low specificity and limited reactivity. Thus, we developed new gas sensors by modifying carbon nanomaterials to improve essential gas sensing parameters, such as selectivity, sensitivity and response time. Furthermore, an exhaustive material characterization was carried out through spectroscopic and microscopic techniques. Also, detailed gas sensing mechanisms were proposed, ergo, the physicochemical interactions between nanomaterials and gases were studied. In consequence, this thesis provides a comprehensive vision for the development of new gas sensors employing carbon nanomaterials, from their design and characterization to their working principles at to the atomic scale. In consideration of the social concerns, the sensors developed usually work at room temperature. Therefore, the device power-consumption was drastically reduced. In summary, the modified carbon nanomaterials employed in this thesis can detect harmful gases, such as nitrogen dioxide, at trace concentration, even at lower levels than those established by law as threshold limit values.