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Perovskita y grafeno

El ITQ (UPV-CSIC) colabora en el diseño de un nanosensor que mejora en un 300% la sensibilidad y durabilidad de los actuales

[ 29/04/2020 ]

El Instituto de Tecnología Química, centro mixto de la Universitat Politècnica de València (UPV) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha colaborado con la Universitat Rovira i Virgili (URV) en el diseño de un nanosensor capaz de detectar la presencia de dióxido de nitrógeno en el ambiente en cantidades muy bajas y que mejora un 300% la fiabilidad y sensibilidad de los sensores actuales.

Esta investigación, publicada en la revista Sensors, supone un paso adelante en el desarrollo de este tipo de dispositivos hechos con nanomateriales de carbono, y es de especial relevancia por cuanto el dióxido de nitrógeno es un compuesto tóxico que necesariamente hay que detectar a muy bajas concentraciones, por lo que encontrarlo supone un reto, sobre todo, a la hora de detectarlo de manera selectiva, ya que el ambiente puede contener otros gases en concentraciones más elevadas que dificulten su identificación.

El carácter hidrofóbico del grafeno, clave

El grupo investigador, encabezado por Juan Casanova y Eduard Llobet, miembros del Departamento de Ingeniería Electrónica, Eléctrica y Automática de la URV, trabajó con dos materiales. Por un lado utilizó grafeno, que es muy hidrofóbico -repele el agua y la humedad-, y bastante sensible en la detección de gases, pero que tiene, a su vez, algunas limitaciones: es poco selectivo y su sensibilidad varía a lo largo del tiempo.

Por otra parte, ha utilizado perovskita, un material de estructura cristalina de uso habitual en el campo de las células solares. Su limitación es que se degrada rápidamente cuando está expuesta al ambiente. Por eso, los investigadores decidieron combinar la perovskita con un material hidrofóbico, que hiciera huir las moléculas de agua, como es el grafeno, para comprobar si así se evitaba o retrasaba su degradación.

“Este híbrido -grafeno y perovskita-”, explica Llobet, “dio como resultado un material mucho más sensible en la detección de este tipo de gases. La perovskita, por sí sola, se degrada con el tiempo, y hemos comprobado que, cuando la ponemos encima del grafeno, mantiene invariables sus propiedades y la respuesta del sensor durante mucho más tiempo ", explica Eduard Llobet.

Sensores de nanomateriales de carbono, un futuro prometedor

Los investigadores llevan años trabajando para buscar alternativas a los sensores convencionales, y el campo de los nanomateriales de carbono augura resultados prometedores. Estos, además de ser muy pequeños y necesitar muy poca energía para su funcionamiento, han demostrado tener buena respuesta y una capacidad de recuperación muy rápida a temperatura ambiente, a diferencia que los sensores actuales.

"Por su tamaño”, añade Llobet, “son dispositivos portables -incluso todos se pueden llevar encima-, y el hecho de que trabajen a temperatura ambiente es muy importante, ya que esto hace que necesiten baterías muy pequeñas, un hecho que con otros materiales es implanteable".

Esta investigación, que ha utilizado por primera vez grafeno con nanocristales de perovskita como sensor de gases tóxicos, ha demostrado que esta combinación es una buena alternativa para detectar estos compuestos por su alta sensibilidad a lo largo del tiempo.

Con resultados como los de esta investigación, la perovskita se convierte en una alternativa a los metales, óxidos metálicos, polímeros u otras moléculas, que se utilizaban habitualmente para modificar la superficie de los nanomateriales de carbono como el grafeno.

El control del tamaño y composición de los nanocristales, labor del ITQ

Por su parte, el grupo de investigación del ITQ lleva varios años trabajando en diferentes líneas orientadas a la síntesis y aplicación de perovskitas en campos tales como celdas solares o fotocatalizadores. Sin embargo, su empleo como sensor es relativamente nuevo. Desde el ITQ, se ha llevado a cabo el control del tamaño y la composición de los nanocristales, para que puedan ser altamente sensibles frente al dióxido de nitrógeno.

A este respecto, Pedro Atienzar, científico titular del CSIC en el ITQ, afirma que “estos materiales presentan un elevado potencial para el desarrollo de nuevos sensores de gases, ya que aquí se aprovecha una limitación de los mismos en el campo de las celdas solares, los defectos, que en el caso de los sensores juegan un papel muy importante en el mecanismo de funcionamiento”.

“Además, si se tienen en cuenta todas las posibilidades de modificación estructural que presentan las perovskitas, tenemos la oportunidad de encontrar una gran familia de sensores para la detección otros gases. Cabe destacar, también, que las perovskitas son fáciles de sintetizar y emplean elementos abundantes en la naturaleza”, concluye.

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