Ammonia sensors in humid environment

Abstract

Resumo: Neste estudo, a melhoria do comportamento de detecção de vapor de amônia em ambiente úmido foi investigada. A investigação incluiu a fabricação e caracterização de diferentes sensores baseados em vários materiais nanostruturados: esferas ocas de carbono recozidas (HCSs), HCSs dopadas com nitrogênio (N-HCSs-10 e 50), nitreto de gálio (GaN), GaN revestido de carbono (C-GaN TA e TN) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas dopadas com nitrogênio alinhados (A-CNTs). Isso foi feito para avaliar a capacidade de detectar e discriminar amônia e água. A resposta dos sensores foi investigada através de medições de resistência em função da concentração dos analitos e frequência de operação, em condições controladas (ou seja, temperatura: ~23 °C, umidade relativa: ~20% e atmosfera inerte (nitrogênio)). Os baixos limites de detecção de amônia (6 ppm) foram estabelecidos para os sensores baseados em N-HCSs. Foi descoberto que a dependência de água para as N-HCSs era menor que para das HCS não dopadas. Assim, os resultados sugeriram que as nanoestruturas N-HCSs são potenciais candidatos a dispositivos sensoriais ambientais insensíveis à umidade para a detecção de vários vapores químicos. O GaN, C-GaN TN e C-GaN TA apresentaram resposta positiva quando expostos a amônia e água. A maior sensibilidade foi alcançada para nanoestruturas C-GaN TN quando expostas a amônia, enquanto a menor sensibilidade foi determinada para as moléculas de água. Por outro lado, os dispositivos baseados em A-CNTs não apresentaram resposta à amônia e à água, e foram feitas algumas recomendações para possíveis trabalhos futuros com este material. Este trabalho também consiste na análise baseada em três sensores selecionados (por exemplo, C-GaN TN, HCSs e N-HCSs 50) expostos à mistura de amônia e água, aplicando-se à metodologia generalizada de tristímulos. As medições binárias da mistura foram realizadas em umidades relativas de 100%, 75%, 50%, 25% e 0%, constatando que as respostas as diferentes concentrações relativas de amônia e água são identificáveis. Palavras-chave: Sensores de vapor químico. Materiais nanoestruturados. Esferas ocas de carbono. Amônia. Análise tristimulus.

Abstract: In this study, the improvement of the ammonia vapor sensing behavior in humid environment was investigated. The investigation included the fabrication and characterization of different sensors based on various nanostructured materials: annealed hollow carbon spheres (HCSs), nitrogen-doped HCSs (labeled as N-HCSs-10 and 50, depending on their particular synthesis conditions), gallium nitrate (GaN) and carbon-coated GaN nanoparticles (C-GaN-TA and TN) and finally aligned nitrogen doped multi-walled carbon nanotubes (A-CNTs). This was done in order to assess the ability to detect and discriminate ammonia and water. The sensors response was investigated through resistance measurements as a function of both analyte concentration and operating frequency under controlled conditions (temperature: ~23 °C, relative humidity, RH: ~20% and inert atmosphere (nitrogen)). The low limit of detection for ammonia (6 ppm) was established for the N-HCSs-based sensors. It was discovered that the water dependency for the N-HCSs was lower than that for the un-doped HCSs. Thus, the results suggest that the N-HCSs nanostructures are potential candidates for humidity-insensitive environmental sensing devices for the detection of several chemical vapors. Concerning to GaN, C-GaN TN and C-GaN TA nanoparticles, they showed good response when exposed to ammonia and water. The higher sensitivity for this kind of sensors was achieved for ammonia when C-GaN TN was used, whereas the lower sensitivity was obtained for water molecules. On the other hand, the devices based on A-CNTs (synthesized under several conditions) showed no response to ammonia and water, and some recommendations are made for possible future work with this material. This work also consists on the analysis based on three selected sensors (i.e. C-GaN TN, HCSs and N-HCSs 50) exposed to the mixture of ammonia and water, applying the generalized tristimulus methodology. The measurements of the binary mixture were performed at the relative humidities of 100%, 75%, 50%, 25% and 0%, finding that the responses to different relative concentrations of ammonia and water are identifiable. Keywords: Chemical vapor sensors. Nanostructured materials. Hollow carbon spheres. Ammonia. Tristimulus analysis.