Resposta rápida e recuperação polianilina montmorilonita reduz material nanocompósito de polímero de óxido de grafeno para detecção de gás cianeto de hidrogênio

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8074 (2023) Citar este artigo

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No presente trabalho, desenvolvemos um sensor de gás à base de polímero. Os nanocompósitos poliméricos são sintetizados pela polimerização química oxidativa da anilina com persulfato de amônio e ácido sulfúrico. O sensor fabricado é capaz de atingir uma resposta de detecção de 4,56% para PANI/MMT-rGO a 2 ppm de gás cianeto de hidrogênio (HCN). A sensibilidade dos sensores PANI/MMT e PANI/MMT-rGO são 0,89 ppm−1 e 1,1174 ppm−1 respectivamente. O aumento na sensibilidade do sensor pode ser devido a um aumento na área de superfície fornecida pelo MMT e rGO que forneceram mais sítios de ligação para o gás HCN. A resposta de detecção do sensor aumenta à medida que a concentração do gás exposto aumenta, mas satura após 10 ppm. O sensor se recupera automaticamente. O sensor é estável e pode funcionar por 8 meses.

O vapor de cianeto de hidrogênio (HCN) é extremamente perigoso para o organismo vivo. O gás HCN quando inalado aumenta o nível de ingestão de oxigênio pela célula1,2,3. O nível tóxico do gás HCN está acima de 100 ppm e quando exposto pode matar um ser humano em 1 h4. A tragédia do gás em Bhopal em 1984 matou 3.787 pessoas inocentes em uma única noite. Esta tragédia poderia ter sido evitada se algum sistema de alarme de alerta (sensor de gás) fosse instalado. A detecção de vestígios de gases tóxicos (amônia, dimetil metil fosfonato (DMMP), monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido nitroso, HCN) é importante para evitar um acidente fatal. Assim, são necessários a fabricação e o desenvolvimento de narizes eletrônicos em nível micro e nano. A fabricação de sensores de gás usando nanoestruturas aumenta a sensibilidade dos sensores. O aumento da área superficial devido às nanopartículas aumenta os sítios de ligação do gás. Um sensor é um dispositivo ao receber um estímulo ele responde com um sinal elétrico5,6,7,8,9,10. Os sensores de quimiorresistência funcionam com base no princípio da mudança na resistência na exposição do gás. Um sensor padrão deve satisfazer as seguintes características, como operação em temperatura ambiente, trabalhando em ambiente ambiente e sem necessidade de oxigênio ou suprimento de ar, nenhum estímulo externo é necessário, capacidade de detectar gases tóxicos em baixa concentração, alta sensibilidade e reprodutibilidade, resposta e recuperação rápidas, baixo custo e eco-friendly11.

Os sensores de gás à base de polímero condutor têm inúmeras vantagens sobre os sensores de óxido metálico, como alta sensibilidade, tempo de resposta curto, operação em temperatura ambiente e podem ser ajustados pela natureza do dopante. A sensibilidade do sensor de gás à base de polímero é alta devido à grande relação superfície-volume, tamanho compacto, leve e fácil de integrar com o sistema eletrônico existente12. Muitos pesquisadores em todo o mundo prestam atenção ao material nanocompósito de polímero (orgânico-inorgânico) devido à sua propriedade única, como aumento da flexibilidade, dureza superficial aprimorada e resistência ao calor (devido aos componentes inorgânicos)8,9,10,13,14,15 . Yang et al.16 relataram a detecção de gás HCN pela técnica de microbalança de cristal de quartzo (QCM)16,17.

Aqui estamos relatando pela primeira vez a detecção de gás HCN pelo método de resistência química com resposta rápida. No presente trabalho, sintetizamos o nanocompósito Polianilina/MMT-rGO por polimerização química oxidativa. Usamos PANI como material de detecção neste estudo devido à sua estabilidade, alta sensibilidade, boa condutividade elétrica, baixo custo e facilidade de síntese em laboratório. O rGO fornece mais locais de ligação devido à sua alta área de superfície, estabilidade térmica e condutividade elétrica. A montmorilonita (MMT) é usada como material sensor no presente estudo devido à sua alta área superficial, estrutura porosa (que fornece a grande área superficial), alto coeficiente de adsorção, facilidade de propriedade ajustável (funcionalização), compatibilidade ambiental e baixo custo . O material nanocompósito de polímero sintetizado é caracterizado por SEM, FTIR e XRD. Podemos obter uma resposta de detecção de 4,56% para PANI/MMT-rGO a 2 ppm de gás cianeto de hidrogênio (HCN). O sensor recupera a linha de base após cada exposição de HCN. O sensor está estável e está funcionando com sucesso nos últimos 9 meses.