Detección de CO y CO2 a temperatura ambiente mediante películas delgadas de ZnO obtenidas mediante spray pyrolysis

F. SCHIPANI; E. VILLEGAS; L. RAMAJO; R. PARRA

Mar del Plata

Conferencia; SAM CONAMET 2022; 2022

INTEMA

La pandemia de COVID-19 hatraído una mayor necesidad de información sobre el aire que respiramos enambientes interiores, ya que la concentración de CO2 presente en unambiente cerrado se puede relacionar directamente con la calidad del aire. Sibien no es posible detectar el virus del COVID con un sensor de gases, esposible saber cuándo el aire está ?viciado?, ya que cuando se indiquen altasconcentraciones de CO2 en el ambiente será necesario ventilar, yasí, además del CO2 producto de nuestra respiración, se irán delambiente las partículas respiratorias que exhalamos, las cuáles podríancontener al virus del COVID. En este trabajo se estudió la respuestaeléctrica de una película delgada (1.6 µm) de ZnO depositada sobre vidriomediante la técnica de spray pyrolysis, ante la presencia de dióxido y monóxidode carbono a diferentes concentraciones, medidas a temperatura ambiente, con elobjetivo de construir un sensor de CO2.A partir del difractograma de DRX, se puedeobservar que la película presenta estructura típica del ZnO, con los picosprincipales correspondientes a la familia de planos (100), (002), (101), y unanotoria preferencia de crecimiento hacia el plano (100) respecto a los demás.Las observaciones por microscopía electrónica de barrido muestran que elmaterial posee una morfología de grano de tipo alargada con tamaño de granopromedio de 250 nm, que corresponde al crecimiento preferencial del plano(100). Dicha morfología presenta mayor porosidad con respecto a la morfologíade discos planos hexagonales que se presenta comúnmente en películas másdelgadas depositadas con la misma técnica [1]. Por lo tanto, exhibe un mejorcomportamiento en el intercambio gaseoso y quimisorción de gases sobre susuperficie. De las medidas de espectrofotometría de la película de ZnO, secalcula una transmitancia óptica superior al 70% en el rango visible delespectro electromagnético. Esto indica una alta transparencia a pesar delespesor de la película. A partir de una gráfica Tauc se calculó el valor delband gap entre 3,2 y 3,3 eV, lo cual coincide con lo reportado en labibliografía [2].La Figura 1a muestra la respuesta relativaal CO2 en diferentes concentraciones, medidas a temperaturaambiente, siempre en una atmósfera de aire sintético y un flujo total constantede 0.2 l/min. A los 60 segundos de exposición ya se puede detectar unarespuesta. La respuesta máxima se alcanza en el orden de los 10 minutos deexposición. Es importante diferenciar CO2 de CO en ambientesinteriores, ya que este último es mortal y producto de la mala combustión deartefactos a gas, entre otros. En principio, esto es posible ya que la películaresponde a estos gases en rangos diferentes (Figura 1b). La respuesta de lapelícula al CO2 en concentraciones que van hasta los 5000 ppm es de0,5%, mientras que la respuesta a concentraciones de CO entre 50-800 ppm estáen el rango 4-9 %. Las cotas para el CO se toman en 50 ppm como la máximaconcentración permitida por Normativa Argentina a la exposición prolongada y800 ppm como una concentración letal para la exposición durante 1 hora. Para elCO2, la concentración en espacios poco ventilados debería ser delorden de 1000-2500 ppm y en ambientes bien ventilados, 400-500 ppm. Aunque noes un sensor de CO, este podría alertar ante la presencia de concentracionespeligrosas, mayores a 50 ppm. Un dispositivo sensor conformado con estapelícula tendrá bajo consumo eléctrico ya que no se necesita calentar lamuestra para la detección y posiblemente pueda energizarse con pequeñas celdassolares.