Gas sensing properties of carbon nanostructures

This work is aimed to evaluate the optical gas sensing properties of carbon nanomaterial. In particular it is focused on two materials, Carbon Nanotubes (CNTs) and Graphene Oxide (GO). The comprehension of the mechanisms of interaction of these materials with the gas molecules is fundamental for a future application of these materials as sensors targeted to a specific specie or capable to distinctly detect several dangerous species. On this purpose nanostructures based on GO and CNTs have been produced and tested as optical gas sensors toward oxidizing/reducing gases (H2, CO, NO2) and aromatic volatile Organic Compounds (benzene, toluene, xylene). Gold nanoparticles (Au NPs) have been used as optical probe thanks to the peculiar Localized Surface Plasmon Resonance feature in the visible range, which is extremely sensitive to the variation in optoelectronic properties of the surrounding media, such as refractive index and the variation in charge carrier involved in plasmonic excitation in the Au NPs. Not only amplify the Au NPs the variation in optoelectronic properties of the layer of carbon nanomaterial, but also the electromagnetic coupling with carbon nanomaterials may induce an enhancement in response and a lowering of the limit of detection of the sensors to the target species. Moreover, the GO and CNTs are provided of a large possibility of functionalization, which can be used to tailor the gas sensing properties of the nanostructures toward specific species. CNTs have been combined with the Au NPs, Pd NPs, Ni NPs and fullerenes. Pd and Au NPs increase the response toward H2 , meanwhile Ni NPs and fullerenes appear specific to CO. It is also suggested the opportunity to monitor the features of the absorbance plot of fullerenes and CNT in the NIR as optical probes, with the carbon nanomaterials playing both the role of sensing element and optical probe. The presence of the different functional groups in GO was investigated. The increase in sp2conjugation has a profitable effect for the sensing of H2. Instead, the removal of the oxidized functional groups hinder the response of the films toward CO and NO2. The reduction and functionalization of the GO with para- Phenylene Diamine induces the detection of NH3without Au NPs as optical probe. The sensors produced are characterized by high transparency in the visible range and may be incorporated as non-invasive sensors on transparent surfaces. Most of the sensors worked at 150°C and 300°C. Test of gas sensing have been conducted at low temperatures, at 80°C for CNTs in fullerene matrix and good results were achieved. The possibility of sensors active at room temperature is suggested by the positive tests conducted with CMG, paving the way for future developments in active optical material sensitive to gases at room temperature.

Il presente lavoro è focalizzato sullo studio di sensori ottici basati su nanomateriali di carbonio, nell’ottica di un’applicazione di questi materiali come sensori di gas. Il lavoro prende in analisi due materiali, i nanotubi di carbonio (CNTs) e il grafene ossido (GO). La comprensione dei meccanismi di interazione di questi materiali con le molecole di gas è fondamentale per le applicazioni future di questi materiali nel rilevamento di diverse specie nocive di gas. A tal proposito, nanostrutture a base di GO e CNTs sono state sviluppate e studiate come sensori ottici verso gas ossidanti-riducenti (H2, CO, NO2) e nei contronti di composti volatili organici aromatici (benzene, toluene, xylene). Le nanoparticelle di oro sono state utilizzate come sonde ottiche grazie alla loro peculiare caratterista di risonanza plasmonica di superficie localizzata, la quale è estremamente sensibile alle variazioni di proprietà ottico-elettroniche del mezzo che le circonda, come l’indice di rifrazione, e alle variazione di densità di portatori di carica che sono coinvolti nell'eccitazione plasmonica nelle nanoparticelle di oro. Quindi, le nanoparticelle di oro, non solo amplificano le variazioni optoelettroniche del film di nanomateriali di carbonio a cui sono state accoppiate, ma interagiscono con questi inducendo un miglioramento della risposta ai gas e un abbassamento del limite di rilevamento ai gas in analisi. Inoltre, GO e CNTs presentano una vasta gamma di possibili funzionalizzazioni, che, possono essere sfruttate per una progettazione mirata delle proprietà di gas sensing delle nanostrutture di carbonio. I CNTs sono stati abbinati a nanoparticelle di Au, Pd, Ni e a fullereni. Pd e Au portano ad un miglioramento delle prestazioni dei sensori verso il gas H2, nanoparticelle di Ni e fullereni sembrano avere un’azione specifica verso il gas CO. In questo lavoro viene anche suggerita la possiblità di monitorare le proprietà di assorbanza di fullereni e CNTs nel range del vicino IR. I CNTs, in tal caso, avrebbero la duplice funzione di sonde ottiche e di materiale sensibile. Oltre all'effetto delle nanoparticelle di oro sulle proprietà di gas sensing del GO, è stata valutata l’influenza dei diversi gruppi funzionali. L’estensione dei domini sp2 sembra favorire il rilevamento di H2, mentre una forte rimozione di gruppi funzionali inibisce la risposta del GO verso CO e NO 2.