Investigation of the potential application of acácia negra and timbó ashes

Abstract

Resumo: Este estudo apresenta o desenvolvimento e a caracterização de sensores de umidade baseados em cinzas de biomassa derivadas da Acácia Negra e do Timbó. Um método de fabricação foi estabelecido, resultando em dispositivos com respostas exponenciais consistentes às variações na umidade relativa (RH). Os materiais foram analisados estruturalmente por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios X (XPS) e Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). As análises de EDS e XPS revelaram a predominância de O, Ca, C, K nas regiões centrais das deposições, e principalmente O, C e K nas bordas. A análise de FTIR sugeriu a presença de CaCO3, embora testes experimentais tenham descartado a participação deste composto na resposta dos dispositivos. A caracterização elétrica foi realizada por espectroscopia de impedância elétrica em 1 kHz, revelando dois regimes distintos de sensibilidade: abaixo e acima de 50% RH. As sensibilidades dos dispositivos baseados em Acácia Negra foram de 0,10 dec · (%RH)-1 e 0,04 dec · (%RH)-1 , enquanto os dispositivos baseados em Timbó apresentaram sensibilidades de 0,13 dec · (%RH)-1 e 0,05 dec · (%RH)-1 . Os limites de detecção foram de 22% e 23% RH, com tempos de resposta/recuperação de 18/37 s e 12/46 s, respectivamente. Para interpretar o mecanismo de detecção, foi proposto um modelo de circuito equivalente, composto por um elemento de fase constante (CPE) representando o material de base e uma associação em série R–CPE representando a condução iônica decorrente da adsorção de água. Os resultados demonstram o potencial das cinzas de biomassa como materiais sustentáveis para aplicações em sensores de umidade de baixo custo

Abstract: This study presents the development and characterization of humidity sensors based on biomass ash derived from Acácia Negra and Timbó. A fabrication method was established, resulting in devices with consistent exponential responses to variations in relative humidity (RH). The materials were structurally analyzed using Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). EDS and XPS analyses revealed the predominance of O, Ca, C, and K in the central regions of the depositions, and mainly O, C, and K at the edges. FTIR analysis suggested the presence of CaCO3, although experimental tests ruled out the participation of this compound in the device response. Electrical characterization was carried out by electrical impedance spectroscopy at 1 kHz, revealing two distinct sensitivity regimes: below and above 50% RH. The sensitivities of the Acacia Negra-based devices were 0.10 dec · (%RH)-1 and 0.04 dec · (%RH)-1 , while the Timbó-based devices presented sensitivities of 0.13 dec · (%RH)-1 and 0.05 dec · (%RH)-1 . The detection limits were 22% and 23% RH, with response/recovery times of 18/37 s and 12/46 s, respectively. To interpret the sensing mechanism, an equivalent circuit model was proposed, consisting of a constant phase element (CPE) representing the base material and a series R–CPE association representing ionic conduction due to water adsorption. The results demonstrate the potential of biomass ash as a sustainable material for low-cost humidity sensor applications