Pesquisadores desenvolvem sensor mais eficiente e estável para detecção de ozônio no ar
Estudo utiliza nanomoléculas de óxido de grafeno reduzido (rGO) e óxido de zinco (ZnO) de maneira estratégica para estender a vida útil dos sensores de gás
A poluição atmosférica impacta significativamente a saúde humana, o meio ambiente e os ecossistemas, sendo considerada um dos principais fatores de risco para morte prematura. O ozônio, por exemplo, pode causar irritação nos olhos e nas vias respiratórias, além de agravar doenças pulmonares, quando em contato por tempo prolongado. Apesar da demanda por sensores de gás, capazes de detectar os poluentes atmosféricos com maior eficiência e estabilidade, o desafio é contornar a degradação dos equipamentos quando expostos ao gás.
Pesquisadores do Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP desenvolveram um novo modelo de sensor composto de camadas de nanomateriais de óxido de grafeno reduzido (rGO) e óxido de zinco (ZnO). As camadas foram organizadas de forma estratégica, com o intuito de preservar as propriedades sensoras por um maior período de tempo. Na literatura, foram relatados apenas três sensores de rGO-ZnO para detecção de ozônio, sendo dois desses reportados pelo mesmo grupo de pesquisa da USP.
Valmor Roberto Mastelaro, pesquisador e docente do IFSC, coordenou o estudo publicado recentemente na revista científica Chemosensors. Ele comenta que o desenvolvimento de sensores de gases é de grande interesse, tanto no âmbito da ciência básica quanto da ciência aplicada, entendendo os mecanismos de detecção de gases visando ao desenvolvimento de sensores com melhor desempenho em relação aos já comercializados.
“O que se busca na pesquisa é melhorar o grau de seletividade do sensor, ou seja, que ele possa discriminar um determinado tipo de gás, mesmo quando este estiver misturado a outros gases. Isso ocorre com frequência na nossa atmosfera”, explica Valmor Mastelaro.
Amanda Akemy Komorizono, doutoranda no Programa de Ciência e Engenharia de Materiais no IFSC e coautora do estudo, explica que os principais materiais estudados para sensores de gases são os semicondutores de óxido metálico, entre eles o óxido de zinco (ZnO). Apesar de apresentarem alta estabilidade térmica e química, e elevada sensibilidade a gases tóxicos, esses compostos costumam operar a altas temperaturas (~300 °C) e apresentam baixa seletividade para gases.
Em contrapartida, o grafeno reduzido (rGO) apresenta excelentes propriedades elétricas, como alta mobilidade eletrônica, o que permite que seus sensores operem em baixas temperaturas, ainda que o rGO puro possua baixa sensibilidade a detecção de gases.
“O estudo demonstrou que a formação do compósito de rGO-ZnO permite reduzir a temperatura de operação do sensor, aumentar a sensibilidade em comparação com os materiais puros e melhorar a seletividade”, afirma Amanda Komorizono.
Na pesquisa, os cientistas criaram um sensor com estrutura similar a um “sanduíche”, com camadas de nanomateriais de óxido de grafeno reduzido (rGO) e óxido de zinco (ZnO). Essa organização busca proteger o rGO da ozonólise, reação com ozônio que quebra ligações duplas em moléculas orgânicas, devido à alta sensibilidade do componente. A deposição das camadas foi o principal desafio da pesquisa, já que as camadas de ZnO precisavam cobrir completamente a camada de rGO para protegê-la da degradação por ozônio.
Precisão no monitoramento ambiental
Os testes dos sensores foram realizados em uma câmara de gás, mensurando a resistência elétrica ao longo de todo o experimento. Dentro da câmara de gás, o sensor é exposto a um fluxo de ar sintético para a adsorção de íons de oxigênio na superfície do sensor, que interagem com as moléculas do gás tóxico. Nesse processo, os íons do oxigênio aderem ao exterior do sensor, e se fixam apenas em sua interface.
“Após a estabilização da resistência elétrica, o sensor é exposto a um fluxo de ozônio por um tempo predefinido e as alterações na resistência elétrica são medidas para o cálculo da resposta e da sensibilidade do sensor”, descreve Amanda Akemy. Em seguida, o sensor é deixado para se “recuperar” sob um fluxo de ar sintético por um tempo predefinido. O processo é repetido diversas vezes com diferentes concentrações de ozônio.
Os testes mostraram que o dispositivo consegue detectar concentrações muito pequenas de ozônio no ar. Além disso, ele apresentou boa capacidade de distinguir esse gás de outros poluentes comuns, como monóxido de carbono, amônia e dióxido de nitrogênio.
Outro ponto positivo observado foi a estabilidade do sensor. Durante os experimentos, não foram identificados sinais de desgaste ou degradação do material, indicando que o método de fabricação adotado pode aumentar a durabilidade do equipamento.
Segundo os pesquisadores, a nova tecnologia pode ajudar no desenvolvimento de sistemas mais precisos de monitoramento ambiental. Sensores desse tipo podem ser utilizados em estações de medição da qualidade do ar, em áreas industriais ou até em dispositivos portáteis voltados ao controle da poluição.
Amanda comenta que os próximos passos da pesquisa vão se concentrar no número de camadas do rGO e ZnO, buscando reduzir ainda mais a temperatura de operação do sensor, e na fabricação de compósitos de rGO com outros semicondutores de óxido metálico, para detecção de ozônio.
Além do professor Valmor Mastelaro, o trabalho é assinado pelos pesquisadores Rayssa Silva Correia, Amanda Akemy Komorizono, Julia Coelho Tagliaferro e Natalia Candiani Simões Pessoa, todos do IFSC.
A pesquisa recebeu apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). O artigo, intitulado ZnO/rGO/ZnO Composites with Synergic Enhanced Gas Sensing Performance for O3 Detection with No Ozonolysis Process, foi publicado na revista Chemosensors e pode ser acessado neste link.