La montmorillonite polianilina a risposta e recupero rapidi riduce il materiale nanocomposito polimerico a base di ossido di grafene per il rilevamento del gas di cianuro di idrogeno

Apr 30, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8074 (2023) Citare questo articolo

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Nel presente lavoro, abbiamo sviluppato un sensore di gas a base di polimeri. I nanocompositi polimerici sono sintetizzati mediante polimerizzazione ossidativa chimica dell'anilina con persolfato di ammonio e acido solforico. Il sensore fabbricato è in grado di ottenere una risposta di rilevamento del 4,56% per PANI/MMT-rGO a 2 ppm di gas di acido cianidrico (HCN). La sensibilità dei sensori PANI/MMT e PANI/MMT-rGO è rispettivamente 0,89 ppm−1 e 1,1174 ppm−1. L'aumento della sensibilità del sensore potrebbe essere dovuto ad un aumento dell'area superficiale fornita da MMT e rGO che hanno fornito più siti di legame per il gas HCN. La risposta di rilevamento del sensore aumenta all'aumentare della concentrazione del gas esposto, ma si satura dopo 10 ppm. Il sensore si ripristina automaticamente. Il sensore è stabile e può funzionare per 8 mesi.

Il vapore di cianuro di idrogeno (HCN) è estremamente pericoloso per gli organismi viventi. Il gas HCN quando inalato aumenta il livello di assunzione di ossigeno da parte della cellula1,2,3. Il livello tossico del gas HCN è superiore a 100 ppm e, se esposto, può uccidere un essere umano entro 1 ora4. La tragedia del gas di Bhopal nel 1984 uccise 3.787 persone innocenti in una sola notte. Questa tragedia avrebbe potuto essere evitata se fosse stato installato un sistema di allarme (sensore di gas). Il rilevamento di tracce di gas tossici (ammoniaca, dimetil metil fosfonato (DMMP), monossido di carbonio, anidride carbonica, protossido di azoto, HCN) è importante per prevenire un incidente mortale. Pertanto sono necessari la fabbricazione e lo sviluppo di nasi elettronici a livello micro e nano. La fabbricazione di sensori di gas utilizzando nanostrutture aumenta la sensibilità dei sensori. L'aumento della superficie dovuto alle nanoparticelle aumenta i siti di legame del gas. Un sensore è un dispositivo che quando riceve uno stimolo risponde con un segnale elettrico5,6,7,8,9,10. I sensori di chemiresistenza funzionano secondo il principio della variazione della resistenza in seguito all'esposizione del gas. Un sensore standard deve soddisfare le seguenti caratteristiche, ad esempio funzionamento a temperatura ambiente, funzionamento nell'ambiente circostante e assenza di ossigeno o fornitura d'aria, non è richiesto alcuno stimolo esterno, capacità di rilevare gas tossici a bassa concentrazione, elevata sensibilità e riproducibilità, risposta e recupero rapidi, a basso costo ed ecologici11.

I sensori di gas a base di polimeri conduttori presentano numerosi vantaggi rispetto ai sensori di ossido di metallo, come elevata sensibilità, tempi di risposta brevi, funzionamento a temperatura ambiente e possono essere regolati in base alla natura del drogante. La sensibilità del sensore di gas a base polimerica è elevata grazie all'ampio rapporto superficie-volume, alle dimensioni compatte, leggero e facile da integrare con il sistema elettronico esistente12. Molti ricercatori in tutto il mondo prestano attenzione ai materiali polimerici nanocompositi (organici-inorganici) per le loro proprietà uniche quali maggiore flessibilità, migliore durezza superficiale e resistenza al calore (dovuta a componenti inorganici)8,9,10,13,14,15 . Yang et al.16 hanno segnalato il rilevamento di gas HCN mediante la tecnica della microbilancia a cristalli di quarzo (QCM)16,17.

Qui riportiamo per la prima volta il rilevamento del gas HCN mediante metodo di resistenza chimica con risposta rapida. Nel presente lavoro, abbiamo sintetizzato il nanocomposito polianilina/MMT-rGO mediante polimerizzazione ossidativa chimica. Abbiamo utilizzato PANI come materiale di rilevamento in questo studio per la sua stabilità, elevata sensibilità, buona conduttività elettrica, basso costo e facilità di sintesi in laboratorio. rGO fornisce più siti di legame grazie alla sua elevata area superficiale, stabilità termica e conduttività elettrica. La montmorillonite (MMT) viene utilizzata come materiale di rilevamento nel presente studio grazie alla sua elevata area superficiale, struttura porosa (che fornisce un'ampia area superficiale), elevato coefficiente di adsorbimento, facilità di proprietà sintonizzabile (funzionalizzazione), compatibilità ambientale e basso costo . Il materiale nanocomposito polimerico sintetizzato è caratterizzato da SEM, FTIR e XRD. Possiamo ottenere una risposta di rilevamento del 4,56% per PANI/MMT-rGO a 2 ppm di gas di acido cianidrico (HCN). Il sensore ritorna alla linea di base dopo ogni esposizione di HCN. Il sensore è stabile e funziona correttamente negli ultimi 9 mesi.