Sensori di monossido di carbonio per stampa 3D con SnO2 Graphene Nanoink
Ricercatori statunitensi hanno lavorato per migliorare i metodi di rilevazione del monossido di carbonio, rilasciando i dettagli del loro recente studio in ” Produzione additiva di un sensore flessibile di monossido di carbonio basato su uno SnO2-grafene Nanoink “.
Centinaia di persone vengono uccise ogni anno a causa di avvelenamento accidentale da monossido di carbonio. Poiché il gas è inodore e ha il potenziale per accumularsi rapidamente in una casa o in un’altra struttura, il pericolo per l’uomo è molto reale. Mentre oggi sul mercato ci sono numerose unità di rilevamento che si basano sul semiconduttore SnO2, i ricercatori hanno creato un nuovo processo per fabbricare array di sensori basati su “supporti per sensori a ossido di grafene ridotto decorati con catalizzatore a semiconduttore”.
L’attuale produzione di sensori è costosa, richiede molto tempo e richiede condizioni molto specifiche come alte temperature e numerosi passaggi di produzione:
“Inoltre, i media del sensore SnO2 alla rinfusa in genere devono essere riscaldati a temperature superiori a 400 ° C per ottenere una risposta di CO sufficiente”, hanno affermato i ricercatori. “Questo limite di temperatura ostacola lo sviluppo di dispositivi flessibili e sottili supportati da film polimerico.”
Sono stati usati due diversi metodi per migliorare la produzione di sensori, usando SnO2 di dimensioni nanometriche che potrebbero essere disperse in fluidi o film sottili con una base SnO2, creati mediante elaborazione della soluzione. Sebbene ci sia stato un certo successo in questi metodi precedenti, gli autori sottolineano che sono ancora necessarie alte temperature o che era necessario un riscaldatore per attivare una risposta. Altre ricerche hanno riportato dispositivi di rilevamento a bassa temperatura, ma i processi sono risultati non “né scalabili né di elevata fattibilità tecnologica”.
Per questo studio, i ricercatori hanno creato un nanoink composto da rGO decorato con SnO2 ad alta risposta. Il risultato è stato un “sensore completamente stampato e flessibile” in grado di rilevare CO a temperatura ambiente.
“Gli inchiostri utilizzati per fabbricare i dispositivi qui studiati sono stati prodotti dalla ri-dispersione dell’aerogel SnO2-rGO purificato. Per migliorare la qualità e la stabilità della dispersione, l’aerogel è stato inizialmente macinato usando una malta e un pestello e quindi sono stati testati diversi solventi, tra cui NMP, glicole etilenico ed etanolo. In diversi casi, la sonicazione è stata eseguita per 10-12 h per ottenere una dispersione buona e stabile “, hanno affermato i ricercatori. “L’inchiostro finale aveva la sua tensione superficiale e la viscosità caratterizzate utilizzando, rispettivamente, un tensiometro DSA100 di Kruss e un reometro DV3T di Brookfield.”
C: O rapporto atomico calcolato dagli spettri XPS ottenuti per i film drop-cast da dispersioni di NMP. Tutti i campioni sono stati essiccati in un forno a 70 ° C per 30 minuti e alcuni di essi sono stati quindi sottoposti alla fase di post-trattamento aggiuntiva, come indicato. GO = ossido di grafene commerciale; r-GO = ossido di grafene ridotto, sottoposto al processo solvotermico per riduzione; SnO2 / r ‐ GO = SnO2 ossido di grafene ridotto decorato. * C: il rapporto O per i campioni contenenti SnO2 è stato calcolato sottraendo gli atomi di ossigeno collegati a Sn.
Questa nuova tecnica ha offerto risultati migliori grazie al caricamento di SnO2, dispersione e nucleazione su fogli di grafene. I film sono stati quindi ricotti ulteriormente, con la riduzione degli ossidi di grafene che ha portato al successo nell’ambiente a temperatura ambiente. Anche la conduttività è stata aumentata laddove i film sono stati ricotti, il che significa che i ricercatori sono stati in grado di utilizzare film più sottili e di ottenere una migliore risposta ai gas.
Dati di diffrazione dei raggi X per il composito SnO2-rGO sintetizzati in questo lavoro.
Alla fine, i ricercatori hanno notato che il getto d’inchiostro era adatto alla stampa, consentendo loro di creare tracce metalliche flessibili ad alta risoluzione (con nano-inchiostro disponibile in commercio). Questa tecnica è stata utilizzata anche per la fabbricazione dei livelli attivi dei dispositivi.
Scansioni XPS ad alta risoluzione per i picchi SnO2-grafene selezionati assegnati al carbonio (A); (B) ossigeno; (C) stagno. I picchi sono stati montati e deconvolti utilizzando il software di analisi Hawk.
(A) array di strutture di elettrodi (IDE) Ag interdigitati stampati a getto d’inchiostro su Kapton; (B) getti riusciti di una singola goccia della dispersione di SnO2-rGO in NMP (a sinistra) e della rispettiva forma d’onda utilizzata per quella (a destra); (C) Film a getto d’inchiostro a 1 strato di SnO2-rGO su poli (etilenftalato) (PET) nudo (in alto) e film a getto d’inchiostro a 2 strati di SnO2-rGO su IDE di Ag (in basso). Linee blu tracciate sono incluse per guidare gli occhi sull’ultima immagine, a causa del basso contrasto nell’immagine al microscopio ottico.
“La specificità del sensore interamente stampato rispetto al CO è stata dimostrata principalmente attraverso una misurazione di controllo in cui il dispositivo è stato testato in presenza di H2. Dopo l’esposizione a H2, è stata registrata una variazione di resistenza molto più piccola (circa il 4%), a dimostrazione della maggiore reattività delle molecole di CO verso SnO2. Un test per CO con un sensore che ha solo rGO nello strato attivo (no SnO2) ha mostrato sensibilità solo del 2–4% (risultati non mostrati). ”
Curve di rilevamento per: (A) pellicola rivestita a fessura di SnO2-rGO contro CO; (B) pellicola rivestita a fessura di SnO2-rGO contro H2; (C) film drop-cast di SnO2-rGO contro CO.
“I sensori qui riportati funzionano a temperatura ambiente, sono sottili e flessibili e possono essere fabbricati in modo aggiuntivo attraverso protocolli scalabili ed economici che possono consentire applicazioni innovative e la loro integrazione in diversi prodotti.”