Pesquisadores do Instituto de Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Araraquara, em parceria com colegas do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Massachusetts Institute of Technology (MIT), Estados Unidos, desenvolveram um material à base de óxido de estanho (SnO) com capacidade de detectar dióxido de nitrogênio (NO2) muito maior do que os sensores químicos já usados para identificar esse tipo de gás altamente tóxico, formado nas reações de combustão dos motores dos veículos.
Desenvolvido por meio de um projeto apoiado no âmbito de um acordo com o MIT, o material deverá resultar em uma patente compartilhada pelas duas instituições e foi descrito em um artigo publicado na edição de setembro da revista Sensors and Actuators B: Chemical.
"Enquanto a resistência elétrica dos materiais puros utilizados atualmente para detectar dióxido de nitrogênio aumenta entre 50 e 70 vezes na presença do gás tóxico, a do sensor que desenvolvemos apresenta um aumento de mil vezes. Esse é o sinal que utilizamos para medir a capacidade de detecção de um sensor", disse Marcelo Ornaghi Orlandi, professor do Instituto de Química da Unesp de Araraquara e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP. O projeto é coordenado por José Arana Varela, professor do IQ-Unesp e diretor-presidente do Conselho Técnico-Administrativo da FAPESP.
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O material desenvolvido pelos pesquisadores consiste em discos cristalinos de óxido de estanho – semelhantes a confetes de papel – em escala micrométrica (milionésima parte do metro).
Para desenvolver o material, eles utilizaram um processo chamado de redução carbotérmica, por meio do qual sintetizaram os discos na forma de óxido de estanho II, em vez da forma tradicional do óxido metálico – o dióxido de estanho IV (SnO2).
Ao mesmo tempo, conseguiram manter a estabilidade térmica e química, preservar a estrutura e fazer com que o material apresentasse maior sensibilidade ao dióxido de nitrogênio do que o SnO2 – um dos materiais mais estudados atualmente para aplicação como sensor do gás tóxico.
"O óxido de estanho é difícil de ser sintetizado porque é termicamente instável e, a temperaturas acima de 400 ºC, tende a se decompor", explicou Orlandi. "Por meio de um controle fino, conseguimos pela primeira vez sintetizá-lo e, ao mesmo tempo, estabilizar suas propriedades térmicas e químicas e aumentar sua resposta sensora."
Seletividade
O material foi exposto em uma câmara a diferentes tipos de gases tóxicos – como o gás carbônico (CO2) e metano (CH4), além do dióxido de nitrogênio – em temperaturas entre 100 ºC e 350 ºC. Os pesquisadores observaram que o material apresenta excelente seletividade e sensibilidade ao dióxido de nitrogênio principalmente a 200 ºC – faixa bem abaixo da temperatura de transição de decomposição do material, de 400 ºC.
Nesse nível de temperatura, a resistência elétrica do sensor aumentou mil vezes quando o material foi exposto a 100 partes por milhão (ppm) de dióxido de nitrogênio diluído em ar sintético – que simula a atmosfera.
Além disso, os discos de óxido de estanho apresentaram capacidade de seletividade do dióxido de nitrogênio 100 vezes superior à demonstrada para outros tipos de gases tóxicos, como o gás carbônico e o metano, disseram os pesquisadores.
"Não encontramos na literatura científica outro sensor de dióxido de nitrogênio com seletividade e sensibilidade tão alta e dessa ordem de grandeza", afirmou Orlandi.
De acordo com o pesquisador, uma das razões pelas quais os discos de óxido de estanho apresentam alta sensibilidade e seletividade ao dióxido de nitrogênio é que são semicondutores do tipo N – materiais que, a exemplo do óxido de zinco (ZnO) e do dióxido de titânio (TiO2), apresentam excesso de elétrons em sua estrutura e conferem condutividade elétrica parcial. O dióxido de nitrogênio, por sua vez, tem predisposição a trocar elétrons com o material.
Por causa disso, ao aderir à superfície dos discos de óxido de estanho, as moléculas de dióxido de nitrogênio aprisionam os elétrons livres e aumentam a resistência elétrica dos discos de óxido de estanho.
"Quando o dióxido de nitrogênio adere à superfície dos discos de óxido de estanho, ele aumenta mil vezes a resistência elétrica do material, como pudemos medir e observar nos experimentos", disse Orlandi.
Ao retirar o dióxido de nitrogênio da câmara na qual os discos de óxido de estanho foram colocados e, consequentemente, quando o gás saía da superfície do material, os pesquisadores constataram que a resistência inicial do sensor químico retornava rapidamente para os mesmos patamares nos quais se encontrava antes de ser exposto ao gás.
"Vimos que o sensor é muito sensível e seletivo especificamente para o dióxido de nitrogênio, características muito importantes para um sensor", afirmou Orlandi. "Se um sensor for seletivo e sensível para todos os tipos de gases poluentes, ele não funciona para essa finalidade", avaliou.