Síntesis y caracterización de SnO2 nanocristalino, dopado, aplicado en sensores de gases de alta sensibilidad para detectar ppm de H2S (g) en aire

Abstract

En este trabajo, se consideran varios factores que aumentan la sensibilidad de un sensor de tipo resistivo, de alta precisión, útil para detectar de (10 a 15) ppm de H2S (g) en aire. Se acepta que el dopado del material sensor (SnO2) aumenta la sensibilidad del dispositivo. Se probaron varios dopantes llegando a la conclusión de que el CuO era el más conveniente. Existen en la bibliografía numerosos trabajos que presentan diferentes técnicas para dopar el material del sensor pero, en este trabajo, se utilizó una técnica propia de dopado, desarrollada en el DEINSO, en la cual el dopante se encuentra distribuido en la red cristalina del SnO2 en forma homogénea. Se propuso dopar el SnO2 nanocristalino, con distintas concentraciones de CuO (1%peso, 5%peso y 6%peso) para elegir la más adecuada que resultó de 5%peso de CuO. Con estas condiciones, se fabricó un sensor más sensible y se estudiaron otros factores para aumentar la sensibilidad. El 5%pesoCuO-SnO2 fue depositado en forma de películas delgadas for mando un sistema multicapas (que emplea de tres a seis capas o láminas delgadas superpuestas). Se caracterizó el material con distintas técnicas como XRD, SEM-EDS y GISAXS mediante las cuales se determinó el tamaño promedio de cristalita, el espesor, la cr istalinidad, la composición química y la porosidad de las películas. Con el sensor construido se detectó una concentración de (10-15) ppm de H2S (g) en aire, a una temperatura de operación de 140ºC, lo que permitió resolver la solicitud de un sensor de seguridad ambiental para la planta de cracking de una importante Institución Argentina (YTEC). Si bien este tema no se incluye en este trabajo, se informa que el logro de un aumento de la sensibilidad de un sensor de este tipo permite detectar concentraciones de (4 a 5) ppm de H2S en aire a una To de ~ 45ºC, permitiendo construir un sensor de uso médico, para detectar muy bajas concentraciones (menores de 5ppm) de H2S(g) que se encuentran en halitosis de enfermedades hepáticas.

Several factors are considered in this article, which increase the sensitivity of a high precision resistive-type sensor, useful for detecting from (10 to 15) ppm of H2S (g) in air. It is accepted that the doping of the sensor material (SnO2) increases the sensitivity of the device. Various dopants were tested, concluding that CuO was the most suitable. There are numerous reports in the bibliography that show different techniques for doping the sensor material, but in this work, a proprietary doping technique was used, developed at DEINSO, in which the dopant is homogeneously distributed in the crystalline network of SnO2. It was proposed to dope the nanocrystalline SnO2 with different concentrations of CuO (1%wt, 5%wt, and 6%wt) to choose the most suitable one that resulted in 5%wt CuO. With these conditions, a more sensitive sensor was carried out, and other factors were studied to increase the sensitivity. The 5%wt CuO-SnO2 was deposited in the form of thin films forming a multilayer system (using three to six superimposed layers or thin sheets). The material was characterized with different techniques such as XRD, SEM-EDS, and GISAXS through which the average crystallite size, thickness, crystallinity, chemical composition, and porosity of the films were determined. With the built sensor, a concentration of (10-15) ppm of H2S (g) was detected in air, at an operating temperature of 140ºC, which allowed solving the request for an environmental safety sensor for the cracking plant of an important Argentine Institution (YTEC). Although this subject is not included in this article, it is orth reporting that achieving increased sensitivity of such a sensor allows to detect concentrations of (4 to 5) ppm H2S in air at a To of ~ 45ºC, just to build a sensor for medical use, to detect very low concentrations (less than 5 ppm) of H2S (g) found in halitosis of liver diseases.