INVESTIGADORES
DESIMONE paula mariela
congresos y reuniones científicas
Título:
¿Qué nos dice la ley de potencia sobre las reacciones superficiales del SnO2 involucradas en el sensado de gases reductores?
Autor/es:
P. M. DESIMONE; F. SCHIPANI; R. PROCACCINI; D. MIRABELLA; C. M. ALDAO
Lugar:
Mar del Plata
Reunión:
Congreso; 20° Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales SAM-CONAMET; 2022
Institución organizadora:
Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales
Resumen:
Lossemiconductores basados en óxidos metálicos policristalinos (MOXS) son los materialesinorgánicos más comúnmente utilizados para el sensado químico de gasesinflamables y tóxicos. El mecanismo de sensado involucra procesosfísico-químicos complejos sobre la superficie del material. Estos dispositivosconvierten una señal química, como la presión de un gas, en una señal eléctricaque proviene del cambio en la resistividad del material cuando se encuentrabajo la exposición al gas. A pesar de la gran cantidad de estudios teóricos y experimentalesrealizados para comprender estos procesos, los detalles del mecanismo básicoresponsable del cambio en la resistencia del film sensor aún soncontroversiales [1-3]. El modelo de ionosorción, el más difundido y aceptado, consideraque las partículas de gas se quimisorben sobre la superficie de los granosatrapando o liberando portadores de carga desde o hacia el interior de losgranos. Esto altera la densidadelectrónica cerca de la superficie formando una región llamada zona de deserción en granos de grantamaño que da lugar a una barrera de potencial. Por otro lado, en granospequeños, las zonas de deserción se superponen de modo que no se formanbarreras y el análisis se simplifica.Eldióxido de estaño, SnO2, es el óxido metálico más utilizado comosensor de gases. Este material es un semiconductor tipo n, ya que las vacancias de oxígeno constituyen el defectodominante y es de carácter donor. Generalmente se considera que el oxígeno sepuede quimisorber sobre la superficie del SnO2 como O2-o disociado como O- o O2-[3-5]. Ciertos gases reductores reaccionan con el oxígenoadsorbido disminuyendo su densidad superficial y, por lo tanto, la resistenciaeléctrica. Se sabe empíricamente que la conductividad eléctrica (G)de los MOXS expuestos a un gas, obedecen una ley de potencia con respecto a lapresión del gas (p) de la forma: Gµ p-g donde g determina la sensibilidad del sensor algas. Varios estudios han reportado que esta ley de potencia puede ser deducidaa partir de la ley de acción de masas teniendo en cuenta las reacciones que sellevan a cabo sobre la superficie del material sensor.En la literatura se han propuestodiferentes reacciones superficiales que determinan valores de g distintos cuando el sensor se encuentra en presenciade aire y de un gas reductor. En este trabajo hemos realizado una serie deexperimentos, usando SnO2 como sensor, en oxígeno con y sinpresencia del gas reductor (H2), para determinar la dependencia dela conductividad con la presión de los gases. De los resultados obtenidos esposible determinar qué mecanismos propuestos describen de manera correcta elproceso de sensado.Por medio de una síntesis sol-gel, seobtuvieron nanopartículas de SnO2 a partir de SnCl4anhidro (Sigma Aldrich 98%) bajo condiciones de catálisis básica. El polvoobtenido se calcinó en aire en un horno a 350°C durante 1 h. La estructuracristalina se caracterizó con las técnicas de Difracción de Rayos X yEspectroscopía Raman. Se obtuvo SnO2 con estructura cristalina tiporutilo. Utilizando la fórmula de Scherrer se calculó un tamaño de granopromedio de 5.5 nm. Para las medidas eléctricas, se depositó el polvo obtenidosobre un sustrato de alúmina con electrodos de Pt interdigitales. Luego secolocó la muestra dentro de una celda de 0.1 l a 300°C bajo la exposición de unflujo continuo de distintos gases (N2, aire sintético seco y H2).Basados en el modelo de ionosorción y alaplicar la ley de acción de masas a las reacciones superficiales propuestas, seobtuvieron las dependencias de la conductividad con las presiones del gasreductor (A) y del oxígeno gaseoso, lo que determinó cada uno de los exponentesde la ley de potencia.Losresultados experimentales permiten concluir que el Modelo 3, que describe laTeoría de Wolkenstein de ionosorción en donde el oxígeno se adsorbe/desorbeneutro y se encuentra adsorbido como ión doblemente cargado, es el que mejordescribe la respuesta del material sensor.