Cette recherche explore la synthèse de nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) stabilisées par des ligands polymériques, la formation de fibres hybrides de ZnO via une approche organométallique, ainsi que l'étude des mécanismes de détection optique et électrique à double mode pour les gaz. L'étude est divisée en trois sections principales, chacune contribuant à une meilleure compréhension de l'influence des paramètres de synthèse et de la morphologie des matériaux sur les propriétés et les applications des nanoparticules de ZnO.
Tout d'abord, les nanoparticules de ZnO ont été synthétisées en utilisant le PEG-PVAm et le PEO-PAA comme ligands stabilisants. Les effets de différents solvants, de la fonctionnalisation des groupes amine (-NH₂) et carboxyle (-COOH), ainsi que des rapports molaires de ces groupes fonctionnels par rapport aux atomes de zinc, ont été systématiquement étudiés. La recherche a mis l'accent sur la manière dont ces paramètres influençaient la morphologie, la taille et les propriétés optiques des nanoparticules. De plus, des études cinétiques ont été menées pour examiner la dynamique de la nucléation et de la croissance pendant le processus de synthèse.
Ensuite, des fibres hybrides de ZnO ont été fabriquées via un processus de gélification impliquant Zn (Cy)₂ et DDA, suivi d'un moulage par injection pour former les fibres. L'étude a évalué les effets du diamètre des fibres, de la vitesse d'injection, de l'exposition à l'air et des conditions de recuit sur la taille des nanoparticules et la formation de structures cœur-coquille. Le diamètre des fibres a été identifié comme un facteur critique dans le contrôle de la taille des nanoparticules, les fibres de plus petit diamètre produisant des nanoparticules plus uniformes et de plus petite taille, avant et après recuit.
Enfin, les mécanismes combinés de détection des gaz, basés sur la réponse optique et électrique des capteurs à base de ZnO, ont été étudiés, en se concentrant sur les réponses simultanées à l'acétone en mode optique RGB et résistif. L'analyse des mécanismes optiques et électriques a révélé de nouvelles informations sur la manière dont les nanoparticules de ZnO, en particulier celles synthétisées à partir de fibres de plus petit diamètre, ont montré des performances améliorées en détection de gaz. Cette amélioration est attribuée à une plus grande surface spécifique et à des interactions plus fortes avec les molécules d'acétone, notamment à des températures plus élevées.
Les résultats de cette étude démontrent l'influence significative des ligands polymériques sur la taille, la morphologie et les propriétés optiques des nanoparticules de ZnO. En outre, la morphologie des fibres, en particulier leur diamètre, joue un rôle clé dans le contrôle de la taille des nanoparticules, ce qui, à son tour, affecte les performances de détection des gaz. Cette recherche propose une approche novatrice pour améliorer la fonctionnalité des capteurs de gaz grâce à la combinaison des mécanismes de détection optique et électrique, offrant ainsi une nouvelle perspective pour la conception future de capteurs.
Mots-clés : Nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO), Synthèse organométallique, Température ambiante, Ligands polymériques, Fibre hybride de ZnO, Détection de gaz optique et électrique à double mode. |
This research investigates the synthesis of zinc oxide (ZnO) nanoparticles stabilized by polymeric ligands, the formation of ZnO hybrid fibers via an organometallic approach, and the exploration of dual-mode optical and electrical gas-sensing mechanisms. The study is divided into three primary sections, each contributing to a deeper understanding of how synthesis parameters and material morphology influence the properties and applications of ZnO nanoparticles.
First, ZnO nanoparticles were synthesized using PEG-PVAm and PEO-PAA as stabilizing ligands. The effects of different solvents, amine (-NH₂), and carboxyl (-COOH) group functionalization, as well as the molar ratios of these functional groups to Zn atoms, were systematically studied. The research focused on understanding how these parameters influenced the morphology, size, and optical properties of the nanoparticles. Additionally, kinetic studies of nanoparticle formation were conducted to explore the dynamics of nucleation and growth during the synthesis process.
Second, ZnO hybrid fibers were fabricated through a gelation process involving Zn (Cy)₂ and DDA, followed by injection molding to shape the fibers. The study evaluated the effects of fiber diameter, injection speed, air exposure, and annealing conditions on nanoparticle size and the formation of core-shell structures. Fiber diameter was identified as a critical factor in controlling nanoparticle size, and smaller diameter fibers produced more uniform and smaller nanoparticles, both before and after annealing.
Third, the combined optical and electrical gas-sensing mechanisms of ZnO-based sensors were investigated, focusing on the simultaneous responses to acetone in both RGB optical and resistive modes. The analysis of optical and electrical gas-sensing mechanisms provided new insights into how ZnO nanoparticles, particularly those synthesized from smaller-diameter fibers, exhibited enhanced gas-sensing performance. This was attributed to their larger surface area and stronger interactions with acetone molecules, especially at higher temperatures.
The findings of this study demonstrate the significant influence of polymer ligands on the size, morphology, and optical properties of ZnO nanoparticles. Additionally, fiber morphology, particularly fiber diameter, plays a key role in controlling nanoparticle size, which in turn affects gas-sensing performance. The research presents a novel approach to improving gas sensor functionality through the combination of optical and electrical sensing mechanisms, providing a new perspective for future sensor design.
Keywords: Zinc oxide (ZnO) nanoparticles, Organometallic synthesis, Room temperature, Polymeric ligands, ZnO hybrid fiber, Dual-mode optical and electrical Gas sensing. |