Modelo de interação em dispositivos sensores de gases baseados em nanomateriais de carbono e polianilina

Orientadora: Prof.a Dra. Lucimara Stolz RomanCoorientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo CavaTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais (PIPE). Defesa : Curitiba, 30/04/2019Inclui referências: p. 94-104Área de concentração: Engenharia e Ciência dos MateriaisResumo: Neste trabalho são apresentados estudos experimentais e teóricos sobre dispositivos sensores de gases baseados em nanomateriais de carbono (Nanotubos de Carbono, Óxido de Grafeno e Óxido de Grafeno reduzido) e um polímero condutor (Polianilina). Os filmes da camada ativa foram preparados pelo método de síntese interfacial e foram caracterizados quanto às suas propriedades morfológicas, ópticas e elétricas. Os sensores foram construídos depositando os diversos nanocompósitos sobre eletrodos metálicos interdigitados. As medidas de detecção de gás amônia (NH3) foram realizadas em um sistema construído durante o período desta tese possibilitando coleta de dados automatizados por um longo período e a detecção de amônia em parte por milhão (ppm). Tanto o agente dopante do polímero quanto a morfologia dos filmes se mostraram diretamente relacionados à resposta dos dispositivos neles baseados. Para tanto, foi desenvolvido um modelo de condução entre nanotubos de carbono e polianilina, levando em consideração o tamanho dos nanotubos e o tamanho dos clusters de polímero formados nos filmes, corroborando para explicar o fato de certa proporção entre os materiais apresentar uma melhor resposta à detecção de amônia. Também a inclusão de nanomateriais de carbono interfere no tempo de vida do dispositivo, aumentando sua estabilidade, atuando como um dreno de energia térmica. Dispositivos baseados em Óxido de Grafeno e Óxido de Grafeno reduzido possuem uma resposta menos eficiente em relação a dispositivos que continham Polianilina, e com certa deriva nas medidas. Dispositivos baseados em compósitos entre os nanomateriais e a Polianilina se apresentaram estáveis. PALAVRAS-CHAVE: Sensores; Nanotubos de Carbono; Grafeno; Polianilina.Abstract: This work presents experimental and theoretical studies about gas sensor devices based on carbon nanomaterials (Carbon Nanotubes - CNT, Graphene Oxide - GO and reduced Graphene Oxide - rGO) and the conducting polymer Polyaniline - PANI. The films for the active layer were prepared by interfacial synthesis method and their morphological, optical and electrical properties were studied. The sensors were fabricated depositing the nanocomposites on interdigitated metallic electrodes. During the period of this thesis, a system for detecting NH3 was constructed making possible to run experiments during long time and detecting ammonia in part per million (ppm). In these devices, both the polymer's dopant as that the film morphology showed up direct relation to the response of the devices. According to the size of the nanotubes and the size of the polymer clusters formed in the films, a model of electronic conduction between carbon nanotubes and polyaniline was proposed to explain the fact that a certain CNT:PANI proportion presents a better response to ammonia detection. The inclusion of carbon nanomaterials decreases the devices degradation, acting as a drain of thermal energy, and present better stability when compared with devices based on one of the materials. KEYWORDS: Sensors; Carbon Nanotubes; Graphene; Polyaniline