Nanoesferas mesoporosas de hematitas (α-Fe2O3) y hematita modificada con plata (Ag/α-Fe2O3) para sensores de gas a temperatura ambiente

Abstract

El análisis in situ de los procesos químicos evalúa eficientemente la calidad de los productos, determina las emisiones contaminantes en tiempos cortos y verifica la productividad, permitiendo una producción óptima y sostenible. Procesos con substancias gaseosas o vapores de líquidos volátiles suelen emplear métodos fisicoquímicos e instrumentales que requieren tiempos largos de análisis o equipos costosos dificultándose el control en tiempo real de los procesos. Una alternativa viable frente al problema actual son los sensores de gases por sus características como portabilidad, rápido tiempo de respuesta, alta sensibilidad y bajo costo. Sensores basados en nanoesferas mesoporosas de Ag/α-Fe2O3 se prepararon por el método de coprecipitación en medio básico para la detección de vapor de etanol principalmente. Los patrones de difracción de rayos X de las muestras coinciden totalmente con los picos característicos de la hematita sin mostrar los picos correspondientes al metal Ag incluso a altas concentraciones. Las imágenes STEM y los análisis EDX revelaron la presencia de nanopartículas de Ag (2 a 5 nm) altamente dispersas en la superficie de la α-Fe2O3 con una relación de masas Ag/Fe de 0.014 a 0.099. Los sensores se aplicaron para la detección de vapor de etanol, usado como molécula modelo. Los análisis de sensoramiento revelaron que la adición de 3% en masa de Ag tuvo la mayor señal de respuesta con correlación lineal desde 2 a 35 ppm. El sensor también mostró buena selectividad comparada con gases tóxicos, hasta 4 veces mayor, y estabilidad durante 4 días con un tiempo de respuesta de 15 s y recuperación de 25 s, respectivamente. La presencia de la Ag metálica detectada por los análisis de XPS en alta dispersión tuvo un rol físico y químico importante en el mecanismo de detección del vapor de etanol porque favoreció la conductividad eléctrica de la hematita debido a la mayor adsorción de moléculas de etanol en la superficie.

In situ analysis of chemical processes track efficiently the product quality, pollutants emissions and productivity. Therefore, analysis in real time ensure the product optimization and a sustainable process. Gases or vapors released by factories are usually analyzed using physicochemical methods or instruments, but, they require long time analysis, qualified employments and expensive instruments. Gas sensors are an affordable alternative to the current problem due to its characteristics such as portability, rapid response time, high sensitivity and low cost. Sensors based on Ag/α-Fe2O3 nanoparticles have been prepared by the coprecipitation method for ethanol analysis at room temperature. X-ray diffraction patterns of samples matched perfectly with characteristic peaks of hematite with no peaks assigned to Ag even at the highest concentration. STEM images and EDX analysis revealed the presence of Ag nanoparticles (from 2 to 5 nm) which were highly dispersed onto α-Fe2O3 surface with an Ag/Fe mass ratio from 0.014 to 0.099. Sensing tests of Ag/α-Fe2O3 3% (wt) showed much higher response signal with linear correlation from 2 to 35 ppm. The sensor also depicted a good selectivity, up to 4 times higher and stability during 4 days with recovery and response time equal to 15 s and 25 s, respectively. The high dispersion of reduced Ag evaluated by XPS analysis played an important physical and chemical role in the sensing mechanism because improved conductivity of hematite.