Gas sensing properties of carbon nanostructures

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.