Dentre as diversas linhas de pesquisas do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF), uma delas se destaca por avaliar materiais nanoparticulados do tipo óxido e a sua aplicação em dispositivos sensores de gases. Os óxidos são os responsáveis por “sentirem” a presença do gás de interesse na atmosfera e, assim, alteram sua resistência elétrica fazendo com que o dispositivo sensor emita um sinal, apontando que naquele ambiente há a presença de certo gás.
No artigo “Pure and Ni2O3-decorated CeO2 Nanoparticles Applied as CO Gas Sensor: Experimental and Theoretical Insights”, recentemente publicado no periódico Ceramics International, são investigados materiais para a melhoria de sensores para o monóxido de carbono (CO), um gás tóxico, incolor e inodoro que quando inalado causa sonolência e pode levar a óbito.
O CO pode ser emitido acidentalmente através de sistemas de aquecimento ou pela queima incompleta dos compostos de carbono, por esse motivo acidentes com esse gás são comuns em regiões mais frias, que requerem o uso de aquecedores à gás, por exemplo, como no sul do Brasil e na Argentina. Fato que motivou a parceria entre pesquisadores do CDMF e parceiros da Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMdP) financiados pelo Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), da Argentin, para o estudo dos óxidos sensores. Além disso, tais pesquisas também contam com parceiros da Universitat Jaume I, da Espanha, e financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), e já resultaram no registro de algumas patentes e negociações com a indústria de aquecedores.
No trabalho recentemente publicado, o óxido aplicado como o sensor de CO foi o óxido de cério (CeO2). Isso porque ele atende a parâmetros importantes, como ser o mais sensível possível ao gás de interesse, ter sensibilidade para detectar apenas tal gás (isto é, na presença de vários gases na atmosfera, identifica apenas o gás tóxico) e que dentro do dispositivo utilize a menor temperatura de operação possível, de forma a deixar o sensor com mais fácil operacionalidade.
O primeiro autor do artigo, Rafael Amoresi, pós-doutorando na Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” (Unesp) – Campus Guaratinguetá e integrante do CDMF, conta que para esse estudo foram avaliadas duas principais vertentes quanto à aplicação desse óxido nanoparticulado: a primeira foi a forma da nanoparticula do óxido de cério e como essa influencia na resposta do sensor ao gás CO. A segunda vertente foi avaliar a nanopartícula de CeO2 com um outro óxido que também se apresenta como um bom sensor, o óxido de níquel (NiOx), obtendo assim um material do tipo heterojunção CeO2/NiOx, que teve o seu comportamento como sensor de gás CO avaliado.
Quanto às formas obtidas de nanopartículas, os pesquisadores puderam avaliar a forma esférica e a forma de bastão. As conclusões alcançadas apontaram que a forma da partícula do CeO2 interfere diretamente na resposta do sensor de gás CO, sendo a forma em bastão mais eficiente para a aplicação como sensor.
“Análises estruturais e morfológicas mostraram que a morfologia do CeO2 esférica puro foi constituída principalmente pelas (111) superfícies com alta concentração de Ce (III) resultante do menor tamanho de partícula. O puro tipo bastonete apresentou predominância das superfícies (111) e (110) e uma menor proporção de Ce (III), ou seja, foi observado que a adsorção do gás CO foi maior na amostra bastonete devido às diferentes energias de adsorção de suas superfícies”, explica o também autor da pesquisa da pesquisa Alexandre Zirpoli Simões, professor da UNESP e integrante do CDMF.
A pesquisa identificou ainda que a obtenção do óxido como uma heterojunção altera a temperatura de operacionalidade do dispositivo sensor, possibilitando a sua aplicação em uma menor temperatura de trabalho do dispositivo sensor.
“O mecanismo de adsorção para a amostra decorada com óxido de níquel foi notavelmente diferente da amostra pura. A análise de simulação DFT (Teoria Funcional Densidade) revelou que a adsorção do gás CO na superfície decorada seguiu um mecanismo do tipo LH Langmuir− Hinshelwood (LH) de adsorção. Este mecanismo, por sua vez, foi diferente para a superfície pura e explica o aumento da condutividade em menores temperaturas comparadas com a heterojunção”, acrescenta Simões.
Mesmo diante desses avanços, Amoresi assegura que a pesquisa seguirá adiante, uma vez que comparando a forma pura do óxido de cério com a heterojunção, essa não foi tão eficiente no que diz respeito a “sentir” a presença do gás CO. Dessa maneira, o próximo passo é obter a heterojunção com melhor operacionalidade e aumentar a eficiência da heterojunção para detectar a presença do monóxido de carbono.
“Esta evidência experimental/teórica que encontramos sobre a relação entre superfícies puras e decoradas abrirão novos caminhos para o controle da síntese de materiais com propriedades altamente ajustadas para aplicações usando a ciência de superfície”, completa Simões.
Também contribuíram com o estudo os pesquisadores Regiane Cristina de Oliveira, Leonélio Cichetto Jr., Paula Mariela Desimone, Celso Manuel Aldão, Miguel Adolfo Ponce, Lourdes Gracia, Julio R. Sambrano, Elson Longo e Juan Andres.
O artigo pode ser acessado no repositório do CDMF clicando Aqui.
Mais informações sobre o desenvolvimento de sensores de CO pelo CDMF e parceiros podem ser obtidas clicando AQUI.
CDMF
O CDMF, sediado na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), é um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), e recebe também investimento do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a partir do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia dos Materiais em Nanotecnologia (INCTMN).
