VOCs Sensing by Metal Oxides, Conductive Polymers, and Carbon-Based Materials

This review summarizes the recent research efforts and developments in nanomaterials for sensing volatile organic compounds (VOCs). The discussion focuses on key materials such as metal oxides (e.g., ZnO, SnO2, TiO2 WO3), conductive polymers (e.g., polypyrrole, polythiophene, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), and carbon-based materials (e.g., graphene, graphene oxide, carbon nanotubes), and their mutual combination due to their representativeness in VOCs sensing. Moreover, it delves into the main characteristics and tuning of these materials to achieve enhanced functionality (sensitivity, selectivity, speed of response, and stability). The usual synthesis methods and their advantages towards their integration with microsystems for practical applications are also remarked on. The literature survey shows the most successful systems include structured morphologies, particularly hierarchical structures at the nanometric scale, with intentionally introduced tunable "decorative impurities" or well-defined interfaces forming bilayer structures. These groups of modified or functionalized structures, in which metal oxides are still the main protagonists either as host or guest elements, have proved improvements in VOCs sensing. The work also identifies the need to explore new hybrid material combinations, as well as the convenience of incorporating other transducing principles further than resistive that allow the exploitation of mixed output concepts (e.g., electric, optic, mechanic)

Photoactivated materials and sensors for NO2 monitoring

This review presents the recent research efforts and developments in photoactive materials for sensing ppb concentrations of NO2. It also includes the fundamentals of photoactivated gas sensing and enabling technologies for achieving light-activated gas microsensors. The discussion addresses the most common strategies to improve photoactivity in gas-sensitive materials, including tuning surface vacancies in semiconductor materials and forming nanoscale interfaces based on metal-semiconductor or semiconductor-semiconductor junctions. The data points to gas-sensitive materials containing ZnO as the most representative NO2 photoresponsive semiconductors. Besides, it exhibits novel photoactive materials with promising NO2 sensitivity, such as transition metal dichalcogenides, organic semiconductors, or organo-functional structures. The literature shows that photoactivated gas sensors have competitive detection limits and form factors as their commercial counterparts. Further improvements face to practical applications are forecasted to these sensing components by using material engineering and microfabrication technologies

Nanoscaled polypyrrole for sensing gaseous analytes and volatile organic compounds

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

Nanoscaled polypyrrole for sensing gaseous analytes and volatile organic compounds

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.

Nanostructured Polypyrrole-Based Ammonia and Volatile Organic Compound Sensors

The aim of this review is to summarize the recent progress in the fabrication of efficient nanostructured polymer-based sensors with special focus on polypyrrole. The correlation between physico-chemical parameters, mainly morphology of various polypyrrole nanostructures, and their sensitivity towards selected gas and volatile organic compounds (VOC) is provided. The different approaches of polypyrrole modification with other functional materials are also discussed. With respect to possible sensors application in medicine, namely in the diagnosis of diseases via the detection of volatile biomarkers from human breath, the sensor interaction with humidity is described as well. The major attention is paid to analytes such as ammonia and various alcohols

VOCs Sensing by Metal Oxides, Conductive Polymers, and Carbon-Based Materials

This review summarizes the recent research efforts and developments in nanomaterials for sensing volatile organic compounds (VOCs). The discussion focuses on key materials such as metal oxides (e.g., ZnO, SnO, TiO WO), conductive polymers (e.g., polypyrrole, polythiophene, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)), and carbon-based materials (e.g., graphene, graphene oxide, carbon nanotubes), and their mutual combination due to their representativeness in VOCs sensing. Moreover, it delves into the main characteristics and tuning of these materials to achieve enhanced functionality (sensitivity, selectivity, speed of response, and stability). The usual synthesis methods and their advantages towards their integration with microsystems for practical applications are also remarked on. The literature survey shows the most successful systems include structured morphologies, particularly hierarchical structures at the nanometric scale, with intentionally introduced tunable "decorative impurities" or well-defined interfaces forming bilayer structures. These groups of modified or functionalized structures, in which metal oxides are still the main protagonists either as host or guest elements, have proved improvements in VOCs sensing. The work also identifies the need to explore new hybrid material combinations, as well as the convenience of incorporating other transducing principles further than resistive that allow the exploitation of mixed output concepts (e.g., electric, optic, mechanic)

Cerium oxide-tungsten oxide core-shell nanowire-based microsensors sensitive to acetone

Gas sensitive cerium oxide-tungsten oxide core-shell nanowires are synthesized and integrated directly into micromachined platforms via aerosol assisted chemical vapor deposition. Tests to various volatile organic compounds (acetone, ethanol, and toluene) involved in early disease diagnosis demonstrate enhanced sensitivity to acetone for the core-shell structures in contrast to the non-modified materials (i.e., only tungsten oxide or cerium oxide). This is attributed to the high density of oxygen vacancy defects at the shell, as well as the formation of heterojunctions at the core-shell interface, which provide the modified nanowires with ‘extra’ chemical and electronic sensitization as compared to the non-modified materials.This work has been supported by the Czech Science Foundation (GAČR) via Grant no. 17-16531S, and the Spanish Ministry of Science and Innovation via the Ramón y Cajal Programme and Grants TEC2015-74329-JIN-(AEI/FEDER,EU) and TEC2016-79898-C6-(AEI/FEDER,EU). This research has used the Spanish ICTS Network MICRONANOFABS (partially funded by MINECO). CEITEC Nano Research Infrastructure (IDLM2015041, MEYS CR, 2016–2019) is also acknowledged.Peer reviewe