Original title:
Nano-polypyrrol pro detekci plynných analytů a tekavých organických látek
Translated title:
Nanoscaled polypyrrole for sensing gaseous analytes and volatile organic compounds
Authors:
Šetka, Milena ; Dian,, Juraj (referee) ; Mandayo, Gemma García (referee) ; Drbohlavová, Jana (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2020
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT Abstract:
[eng][cze]
Polypyrol (PPy) je heterocyklický vodivý polymer s chemickou strukturou založenou na existenci systému konjugovaných elektronů mezi střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami. Díky svým vynikajícím vlastnostem jako je dobrá elektrická vodivost, relativně vysoká stabilita prostředí a zároveň i jednoduchost a variabilita metod jeho přípravy, přilákal tento polymer pozornost mnoha vědců z různých vědních disciplín. Cílem výzkumu v této dizertační práci byla studie senzorického chování PPy. Za tímto účelem byla ověřena účinnost nanostruktur PPy při detekci vybraných „vysoce důležitých molekul plynů“ včetně acetonu, amoniaku, etanolu, etylenu a toluenu. V této práci byl připraven PPy ve formě nanotyčinek (NRs) pomocí elektrochemické syntézy a také ve formě nanočástic (NPs) chemickou cestou. Dále byly připraveny modifikované PPy struktury, a to funkcionalizací PPy NPs katalytickými částicemi zlata (Au), stříbra (Ag) a teluridu kademnatého (CdTe). Pro charakterizaci morfologie, složení a struktury připravených materiálů bylo použito několik komplementárních analytických (mikroskopických i spektroskopických) technik. Navíc byly využity techniky jako Ramanova a rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS) pro in-situ test detekce plynů, které potvrdily potenciál připraveného materiálu, tedy PPy NRs i PPy NPs, pro využití v senzorech plynů. Za účelem výroby senzoru plynů byl připravený PPy materiál integrován do dvou typů převodníkových platforem: chemorezistivní a na bázi povrchové akustické vlny v tzv. Love módu (L-SAW). Test detekce plynů pro chemorezistivní senzory s PPy NRs ukázal pouze zanedbatelnou odpověď těchto senzorů pro oxid dusičitý a amoniak z důvodu jejich komplikované architektury. Změření odzevy tvou typú chemorezistivních senzorů-nemodifikovaného i modifikovaného PPy NPs nebylo možné z dúvodu extrémně vysoké odporu v řádu G. Nicméně multivodivé L-SAW senzory založené na holých PPy NPs či PPy NPs modifikovaných Au či Ag NPs a nebo CdTe kvantovými tečkami (QDs) vykazovaly odezvu pro nízké koncentrace všech testovaných velmi důležitých molekul plynů při pokojové teplotě (RT). Obecně měly L-SAW senzory s modifikovanou citlivou vrstvou vyšší citlivost než senzory s nemodifikovanou PPy citlivou vrstvou. Účinnost L-SAW senzoru primárně závisí na pracovní frekvenci a na výběru citlivé vrstvy v aktivní oblasti senzoru. Z otestovaných typů vrstev senzoru vuči jednotlivým plynům, modifikovaná PPy NPs s Ag NPs i Au NPs se javí jako nejlepší varianta pro detekci acetonu. Připravené L-SAW senzory na bázi PPy jsou jednoduchá a cenově přijatelná zařízení s vylepšenými detekčními vlastnostmi jako je vysoká senzitivita a nízký limit detekce (LOD), což je řadí mezi potenciální kandidáty v budoucích systémech pro kontrolu kvality vzduchu, potravin a rovněž pro diagnostiku nemocí z dechu.
Polypyrrole (PPy) is a hetero-cyclic conductive polymer (CPs) with chemical structure based on the existence of conjugated electrons between alternating single and double bond system. This polymer has occupied the attention of many scientists from different research disciplines due to its outstanding properties such as good electrical conductivity, relatively high environmental stability, and facile and diversified synthesis methods. The aim of this research was to study the sensing behavior of PPy. Therefore, the gas sensing performances of PPy nanostructures were verified to ‘gas molecules of high importance’ including acetone, ammonia, ethanol, ethylene and toluene. In this work, PPy in the form of nanorods (NRs) and nanoparticles (NPs) was prepared using electrochemical and chemical synthesis approaches, respectively. Additionally, the modified PPy structures were developed by functionalization of PPy NPs with catalytic particles of gold (Au), silver (Ag) and cadmium-telluride (CdTe). Many complementary analytical techniques (microscopic and spectroscopic) were used for the investigation of morphology, composition and structure of the synthesized materials. Moreover, spectroscopy techniques such as Raman and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) were employed for in-situ gas sensing tests, which confirmed the potential of PPy NRs and PPy NPs to be used as gas sensitive materials. In order to developed the gas sensor device, the PPy based materials were integrated into chemo-resistive and Love mode surface acoustic wave (L-SAW) transducing platforms. The gas sensing test of chemo-resistive sensors based on PPy NRs revealed negligible response to nitrogen dioxide and ammonia due to complicate architecture of those sensors. The measuring of response of non-modified and modified PPy NPs chemo-resistive sensors was complex due to their extremely high resistance in G range. However, multi-guiding L-SAW sensors based on bare PPy NPs and modified with Au NPs and Ag NPs, and CdTe quantum dots (QDs) manifested the response to low concentration of all tested target gas molecules including ammonia, acetone, ethanol, ethyleen and toluene at room temperature (RT). Generally, the L-SAW sensors with modified sensing layers established enhanced sensing performances over non-modified sensors. The performance of the L-SAW sensor primarily depends on the operating frequency and the choose of sensitive layer in the active region of the sensor. Thus, among the tested sensing layers for the target gases, modified PPy layer with Ag NPs and/or Au NPs can be selected as the best option for the detection of acetone. The developed PPy based L-SAW sensors are simple and cost effective devices with improved sensing properties such as high sensitivity and low limit of detection (LOD) which make them potential candidates in future systems for air quality control, food quality control or disease diagnosis via exhaled breath.
Keywords:
plynové senzory; Polypyrol; povrchová akustická vlna; volatilní organický látky.; gas sensors; Polypyrrole; surface acoustic wave; volatile organic compounds.
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/193037
guest ::
