ÁREA: Materiais
TÍTULO: UTILIZAÇÃO DE FILMES DE DIÓXIDO DE TITÂNIO EM SISTEMA DE LÍNGUA ELETRÔNICA PARA DETECÇÃO DE ÁGUA EM ETANOL
AUTORES: BRUNO, J.C. (IBB-UNESP) ; CAVALHEIRO, A.A. (IBB-UNESP) ; QUEIROZ, D.P. (UNESP) ; FLORENTINO, A.O. (UNESP) ; GIACOMETTI, J.A. (UNESP)
RESUMO: Este trabalho investiga o processo de síntese de filmes finos de dióxido de titânio como sensores aplicados a sistema de língua eletrônica. São abordados os métodos de preparação e de deposição dos filmes em eletrodos interdigitados em substrato de vidro borossilicato. O sistema demonstrou grande potencial na aplicação como teste rápido para o controle de qualidade de álcool combustível, verificado pelo baixo desvio padrão das medidas em uma ampla faixa de concentração de água em etanol. Através de caracterizações por espectroscopia de impedância foi demonstrado que estes eletrodos de sensor inorgânico de dióxido de titânio exibem grande sensibilidade para detecção de quantidades de água em etanol, tornando o sistema promissor para análise de possíveis adulterações em combustíveis.
PALAVRAS CHAVES: dióxido de titânio, filmes finos, língua eletrônica
INTRODUÇÃO: A busca pelo desenvolvimento de sensores que atuem como língua eletrônica e substitua o trabalho humano faz com que este tipo de pesquisa cresça a cada dia. Sensores para monitoramento da qualidade dos produtos, como os sensores gustativos, já estão em avançado grau, e muitos deles já são utilizados pelas indústrias devido à rapidez e a precisão (DYMINSKI et al., 2005). Em outro âmbito, encontra-se a adulteração de combustíveis, um grande problema atual. Há inúmeras formas de adulteração dos combustíveis, e uma delas consiste na adição de água comum ao álcool etílico anidro combustível produzindo dessa forma um álcool hidratado. A adição desse álcool à gasolina produz elevada acidez e condutividade elétrica no combustível, danificando a bomba e os injetores, além de causar corrosão das peças em contato com o combustível adulterado. Métodos tradicionais de análise físico-química são geralmente custosos e lentos, e um método alternativo que possa quantificar o teor de água em álcool com rapidez e eficiência tem grande potencial para ser comercialmente aceito. As indústrias alimentícias (RIUL JR, 2002), vinícolas (ANDERSSON , 2003) e estações de tratamento de água (LINDQUIST e WIDE, 2001) já utilizam a língua eletrônica com eletrodos à base de polímeros no controle de qualidade; porém, o desenvolvimento de um eletrodo específico para língua eletrônica aplicada à análise de combustíveis deve ser quimicamente inerte em solventes orgânicos, o que torna a fabricação de eletrodos a base de óxidos inorgânicos uma necessidade. Este trabalho tem esta proposta, fabricar sensores de dióxido de titânio que respondam a pequenas variações de concentração de água em etanol para aplicação no controle de qualidade de combustíveis.
MATERIAL E MÉTODOS: Foram investigados dois tipos de eletrodos neste trabalho: dióxido de titânio puro (TiO2) e dopado com 1% em massa de prata (Ag-TiO2). Utilizou-se o método sol-gel como processo de obtenção dos materiais, partindo-se do isopropóxido de titânio e nitrato de prata como reagentes precursores. O substrato utilizado é um eletrodo formado por um conjunto de sensores interdigitados de ouro, depositados sobre uma matriz de vidro borossilicato. Os sóis precursores foram então depositados sobre esses eletrodos através da técnica de dip coating, e os substratos recobertos foram calcinados a 250ºC por 12h sob atmosfera estática de ar para formação da fase inorgânica do sensor. Os sensores foram também caracterizados quanto às propriedades estruturais, ópticas e morfológicas, utilizando técnicas como difratometria de raios-X, espectroscopia de UV-Vis e microscopia eletrônica de varredura (MEV). Para a determinação das concentrações de água em álcool, os sensores foram mergulhados na solução a ser analisada, utilizando espectroscopia de impedância. Os padrões de sinais elétricos gerados pelos sensores foram analisados pelo método de análise das componentes principais (ACP), proporcionando precisão e base estatística aos dados coletados. Soluções de etanol coletado diretamente em usina fornecedora e água miliq foram preparadas, com concentrações variando de 10 a 90% de água miliq em etanol. Amostras coletadas em alguns postos distribuidores de álcool combustível também foram analisadas quanto a possível adulteração do combustível por água.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: O espectro na região do UV-Vis (Fig. 1) mostra que a Ag altera a característica fotônica do sensor, deslocando o limite da banda de absorção do TiO2 para comprimentos de onda menores. A caracterização por difratometria de raios-X mostrou que os filmes apresentam fase única anatase, com aumento de cristalinidade na presença de prata. Mesmo nas mesmas condições de deposição, o dopante leva a um aumento na espessura do filme fino, de 198nm (TiO2 puro) para 203nm (Ag-TiO2), como demonstrado pelos métodos de contagem de franjas e MEV. A redução de defeitos estruturais na amostra Ag-TiO2 foi correlacionada com a mudança da característica óptica e da resposta do eletrodo. Até 10kHz, onde as respostas de ambos eletrodos convergem para a variável geométrica apenas (TAYLOR e MACDONALD, 1987), os eletrodos de TiO2 puro e Ag-TiO2 têm respostas significativamente distintas, com cada um apresentando maior sensibilidade e precisão para um determinado par freqüência:composição. Acoplando os dois sensores, somaram-se as características de cada sensor, levando a uma maior sensibilidade global, e tornando o conjunto de eletrodos capaz de distinguir pequenas variações de concentração com grande precisão em uma maior faixa de condições, como mostrado na Fig. 2. Nesta figura encontram-se as respostas para várias proporções de água/etanol, e observa-se a precisão e a capacidade de diferenciação deste sistema, o que permitiu analisar amostras de álcool combustível em postos de distribuição. Os combustíveis exibem impressão digital da distribuidora e, apesar de pequenas variações nas concentrações de água, elas estão dentro do limite permitido.
CONCLUSÕES: O sistema de língua eletrônica formado pelos eletrodos a base de dióxido de titânio demonstrou ter grande potencial para aplicação comercial e vantagens frente a métodos de análises convencionais. Estes sensores conseguiram distinguir as concentrações de água em etanol de maneira simples, rápida e reprodutível, demonstrado através da análise de amostras reais em postos de combustíveis. A diferenciação da resposta dos eletrodos frente à modificação da estrutura por dopagem demonstrou que é possível produzir uma língua eletrônica para análise de combustíveis para um amplo espectro de condições.
AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem ao CNPq e a Fapesp.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: DYMINSKI, D.S.; TAKEDA, H.H.; MATTOSO, L.H.C.; CÂNDIDO, L.M.B. 2005.
Review: Applications and functioning of electronic tongues and the Brazilian electronic tongue. Brazilian Journal of Food Technolology, 8: 312-320.
RIUL JR, A. 2002. A Ciência imitando o corpo humano. Revista Physicae - Revista da Associação dos Pós-Graduandos em Física da Universidade Estadual de Campinas, 3: 39-46.
ANDERSSON, K. 2003. Functionality test with the electronic tongue. Örebro, Sweden. 160 f. Dissertação (Mestrado) - Programme for Computer Engineering, Örebro University.
LINDQUIST, M.; WIDE, P. 2001. Virtual water quality tests with an electronic tongue. IEEE Instrumentation and Measurement, 1320-1324.
TAYLOR, D.M.; MACDONALD, A.G. 1987. AC admittance of the metal/insulator/electrolyte interface. Journal of Physics D: Applied Physics, 20:1277-1283.
