Graphene oxide reduction and decoration with lead sulphide nanoparticles for gas sensing applications

The growing concern about the worsening of air quality in highly polluted environments has led to the development of new low-cost, high-performance devices, capable of detecting even small amount of the analyte in complex gas mixtures. Hybrid functional nanomaterials-based chemiresistive sensors have been proposed as suitable candidates for environmental monitoring, thanks to their high sensitivity, fast response, and energy efficiency. Among these, reduced graphene oxide (rGO) decorated with semiconductor nanoparticles has emerged as inexpensive alternative to the more common functionalised pristine graphene. In this thesis, different graphene oxide’s reduction mechanisms have been investigated with the aim of improving their effectiveness, and rGO flakes decoration with lead sulphide nanoparticles has been explored for application in chemiresistive methane sensors. The first part of the work has been dedicated to the morphological study of commercially available graphene oxide (GO) sources, in order to establish the exfoliation parameters to obtain homogeneous dispersions of small single flakes. Different reduction methods were then explored, namely thermal annealing assisted by ethanol healing, simple chemical reduction with ascorbic acid, and solvothermal annealing in NMP. The results of the analysis conducted on the reduced GO samples revealed that the combined action of the latter two processes is extremely effective in the removal of the oxygen functionalities from graphene oxide basal plane, allowing a decrease in resistance up to 10 orders of magnitude. The second part of the thesis is instead dedicated to the discussion of the outcomes of the analysis performed on lead sulphide nanoparticles (NPs), synthetized at room temperature in aqueous solution. Lastly, the results of the decoration of the rGO flakes with lead sulphide nanocrystals are presented, as well as the preliminary results about the gas sensing performance of the rGO-PbS NPs devices.

La crescente preoccupazione per il peggioramento della qualità dell'aria in ambienti altamente inquinati ha portato allo sviluppo di nuovi dispositivi a basso costo e alte prestazioni, in grado di rilevare anche basse concentrazioni di analita in miscele di gas. Sensori basati su nanomateriali funzionali ibridi sono considerati promettenti candidati per il monitoraggio ambientale, grazie alla loro elevata sensibilità, rapida risposta ed efficienza energetica. Tra questi, l'ossido di grafene ridotto (rGO) decorato con nanoparticelle di semiconduttori si distingue come alternativa economica al più comune grafene. In questo lavoro di tesi, sono stati studiati diversi meccanismi di riduzione dell'ossido di grafene con l'obiettivo di migliorarne l'efficacia, ed è stata valutata la possibilità di decorare scaglie di rGO con nanoparticelle di solfuro di piombo per l'applicazione in sensori di metano. La prima parte del lavoro è stata dedicata all’analisi della morfologia di ossidi di grafene (GO) disponibili in commercio, al fine di stabilire i parametri di esfoliazione per ottenere una dispersione omogenea di singoli fogli di GO. Sono stati quindi esplorati diversi metodi di riduzione, ovvero riduzione per via termica assistita da etanolo, semplice riduzione chimica con acido ascorbico e una combinazione delle due in 1-metil-2-pirrolidone. I risultati dell'analisi condotta sui campioni di GO ridotto hanno rivelato che l’ultima tecnica menzionata è estremamente efficace nella rimozione dei gruppi funzionali contenenti ossigeno, consentendo una diminuzione della resistenza fino a 10 ordini di grandezza. La seconda parte della tesi è invece dedicata alla discussione degli esiti delle indagini condotte su nanoparticelle di solfuro di piombo, sintetizzate a temperatura ambiente in soluzione acquosa. Infine, sono riportate le immagini dei fogli di rGO decorati con nanocristalli di solfuro di piombo, e i risultati preliminari dei test sulla rilevazione di gas metano da parte di tali dispositivi.