Desarrollo y fabricacion de sensores basado en nanotubos de carbono para la deteccion de gases toxicos

Abstract

Hoy en día la monitorización del medio ambiente es una necesidad en todo el mundo, principalmente debido a la gran cantidad de gases tóxicos que emiten diariamente las industrias, como son óxidos de nitrógeno, dióxidos de azufre, vapores de benceno, y especies causantes de malos olores como los vapores de amoniaco o que indirectamente aumentan la concentración de ozono. Entre los dispositivos con capacidad de detectar trazas de gases se encuentran los sensores de gases de estado sólido, y sus principales ventajas se hallan en su tamaño reducido, su bajo coste comparado con las técnicas convencionales de detección de gases, la posibilidad de mostrar resultados en tiempo real y la portabilidad.<br/>Entre los óxidos metálicos existentes para la detección de gases tóxicos se cuenta el TiO2, SnO2 y el WO3. Estos materiales permiten detectar trazas de óxidos de nitrógeno (NO y NO2), sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, vapores de amoniaco, hidrocarburos y oxígeno. Uno de los nuevos materiales que se estudia desde hace relativamente poco tiempo para ser utilizado como capas activas en la obtención de sensores químicos de gases capaces de trabajar a bajas temperaturas son los nanotubos de carbono(CNTs).El objetivo principal de esta tesis fue fabricar sensores capaces de detectar trazas de gases (como fueron NO2, CO, NH3 y O2 entre otros) trabajando a bajas temperaturas. Para ello se utilizaron los nanotubos de carbono. Éstos han mostrado tener muy buenas propiedades físicas y electrónicas, por ejemplo, dependiendo de su quiralidad y diámetro pueden tener un comportamiento eléctrico tipo semiconductor o metálico.Para mejorar la dispersión y sensibilidad de los nanotubos de carbono ante los gases, éstos se funcionalizaron aplicando una descarga en un plasma de radio frecuencia. <br/>Óxidos metálicos tales como el WO3, SnO2 y el TiO2, fueron mezclados (a diferentes proporciones respecto al peso) con nanotubos de carbono funcionalizados; la temperatura de trabajo estudiada típicamente varió entre 25 y 150ºC, utilizando como gas portador el aire. Los materiales utilizados como capas activas fueron obtenidos disolviéndolos o agitándolos en glicerol (utilizado como vehículo orgánico), luego se sometieron a un proceso de secado y recocido, y finalmente fueron depositados sobre sustratos para evaluar sus propiedades de sensado ante diferentes trazas de gases tóxicos. Dos métodos de depósito de capas fueron utilizados. El primero de ellos fue el drop-coating. Éste es un método que se emplea en el depósito de capas gruesas de óxidos metálicos. La evaporación térmica es el segundo método y hace posible depositar capas finas de óxidos metálicos sobre un sustrato con tamaños de grano muy pequeño.Las capas activas que contaron únicamente con nanotubos de carbono de paredes mútiples (MWCNTs) funcionalizados con oxígeno como material sensitivo fueron capaces de detectar trazas de gases de NO2 y CO operando a temperatura ambiente, aunque cuando estos nanotubos contaron con nanoclusters en sus paredes, las sensibilidades mejoraron ligeramente (aunque no fueron superiores al 20 %). El inconveniente que estos materiales tienen radica en la velocidad de respuesta y de recuperación, especialmente cuado trabajan a temperatura ambiente.Entre los aportes más interesantes de esta tesis se encuentra el mostrar que las capas híbridas nanotubos de carbono / óxido metálico (WO3, SnO2 o TiO2) tienen una gran sensibilidad a diferentes trazas de gases operando a temperatura ambiente. Las mejores respuestas fueron obtenidas utilizando los materiales híbridos MWCNTs/SnO2. La cantidad de nanotubos mostró ser muy importante, debido a que si la proporción de nanotubos con respecto al óxido metálico es muy alta, la resistencia de la capa activa del sensor es muy baja y los cambios de resistencia debido a la detección del gas no son muy apreciables.

The world-wide concern for environmental safety demands the monitoring of the emission of hazardous gases into the atmosphere. In this context, metal oxide-based sensors could be a key device, provided their power consumption could be dramatically reduced. Semiconductor oxides that can be produced by mature thin or thick-film technologies have been widely studied and employed as low-cost sensing elements for the detection and monitoring of hazardous gases. They show high sensitivity to a wide spectrum of gases, fast response time and fair long-term stability.Among the existing metal oxides, TiO2, SnO2 and WO3 have proved to be promising for gas sensing applications. Several studies have shown that it can be used for the detection of nitrogen oxides (NO and NO2), hydrogen sulphide, carbon monoxide, ammonia vapours, hydrocarbons and oxygen. Carbon nanotubes (CNTs)-based gas sensors have proved to work well at room temperature, which reduces the power consumption of the device and enables the safer detection of flammable gases.The objective of this thesis has consisted in the design and fabrication of gas sensors for detecting gas traces (like NO2, CO, NH3 y O2 amongst others) operating the sensors at temperatures between 25 and 150°C. Carbon nanotubes, depending of their chirality and diameter, show an electronic structure that can be either metallic or semiconducting. In practice it is difficult to obtain only semiconducting nanotubes from as-grown samples, which are typically mixtures of both metallic and semiconducting CNTs.Functionalisation of nanotubes with other chemical groups on the sidewalls is attempted to modify the properties required for an application in hand. For example, chemical modification of the sidewalls may improve the adhesion characteristics of nanotubes in a substrate and make functional composites. Uniform functionalisations either with oxygen or hydrogen were applied to the as-provided CNTs in order to graft functional groups at their surface and to improve their dispersion and surface reactivity. In this thesis, we study and compare the performance in gas sensing of hybrid materials consisting of functionalized multiwall carbon nanotubes dispersed in a metal oxide matrix. Three different metal oxides namely SnO2, WO3 and TiO2 were considered. An adequate mixture of the components was obtained by dissolving them in glycerol (employed as organic vehicle). The sensing films were dried in order to burn out the organic vehicle and after that annealed in ambient atmosphere.Plasma treatment was found to improve the sensing potential of MWCNT. Oxygen plasma functionalisation of MWCNT proved to play an important role in their responsiveness to ammonia and nitrogen dioxide. The presence of oxygen at the surface of MWCNT was found to increase their sensitivity to NO2, and CO (But did not exceed 20%). Nevertheless, nanotubes show a slow recovery process (especially when they work at room temperature), which can prevent their use in several situations.It is well known that metal oxide sensors are usually operated at temperatures well above 250°C. In this thesis, we have shown that the addition of a suitable quantity of MWCNTs in a metal oxide film can lower the sensor operating temperature. Sensors based on SnO2/MWCNTs hybrid films operated at room temperature showed the higher sensitivity towards NO2 in the ppb range, among the different materials studied. The response mechanism is fully reversible, since the sensors can recover their baseline resistance after each exposure to pollutant gases. Our results suggest that there is an optimum amount of carbon nanotubes to be added to each particular metal oxide in order to enhance responsiveness.