Comparative Evaluation of Chemically and Green-Synthesized Silica-Modified CeO₂ Nanostructures for Time-Dependent Room-Temperature Ammonia Sensing
Evaluación comparativa de nanoestructuras de CeO₂ modificadas con sílice, sintetizadas química y ecológicamente, para la detección de amoníaco a temperatura ambiente en función del tiempo
Avaliação comparativa de nanoestruturas de CeO₂ modificadas com sílica, sintetizadas quimicamente e por métodos ecológicos, para detecção de amônia em função do tempo e à temperatura ambiente
| 2026 | |
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Nanopartículas de sílice Síntesis verde Óxido de cerio Sensor quimiorresistivo de amoníaco Detección de gases a temperatura ambiente Silica nanoparticles Green synthesis Cerium oxide Chemiresistive ammonia sensor Room-temperature gas sensing Nanopartículas de sílica Síntese verde Óxido de cério Sensor quimiorresistivo de amônia Detecção de gases em temperatura ambiente |
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| Español | |
| Universidad de Montevideo | |
| REDUM | |
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https://revistas.um.edu.uy/index.php/ingenieria/article/view/1976
https://hdl.handle.net/20.500.12806/3447 |
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| Acceso abierto | |
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| author | Majeed, Danish |
| author2 | Zehra Zaidi, Syeda Sarah Mohsin, Syed Muhammad Ali Asghar, Muhammad Sajid Zaidi, Asad A. |
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| dc.description.en-US.fl_txt_mv | Silica nanoparticles were synthesized via two distinct routes – a conventional chemical process and a sustainable green approach using sugarcane bagasse – and incorporated into cerium oxide (CeO₂) nanostructures for comparative evaluation as room-temperature ammonia (NH₃) gas sensors. The chemical route yielded silica by precipitating sodium silicate, whereas the green route extracted bio-silica from agricultural waste (sugarcane bagasse). Both silica types were integrated with CeO₂ through a precipitation/coating method to form silica–modified CeO₂ composite nanoparticles, which were fabricated into chemiresistive sensor devices. Structural characterization by scanning electron microscopy (SEM) revealed an elongated, rod-like CeO₂ morphology distributed in a silica-rich matrix, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the presence of Si, Ce, and O, indicating successful composite formation. Gas sensing tests demonstrated that all sensors responded to NH₃ at room temperature, with an initial rapid decrease in resistance upon NH₃ exposure. The gas response (defined as change in resistance ratio) reached over 600% within seconds of exposure for fresh sensors and progressively increased with continued exposure up to 10 min. After 15 min of continuous NH₃, however, the sensor response became negative (~–11%), suggesting surface saturation or irreversible adsorption of NH₃ on the active sites. These results suggest that sugarcane bagasse-derived silica can produce NH₃ response trends broadly comparable to chemically synthesized silica under the present experimental conditions. However, a full statistical comparison using multiple devices is still required to confirm equivalent performance. The incorporation of green-sourced silica thus provides an environmentally friendly pathway to high-performance, room-temperature gas sensors, though calibration and long-term stability tests are needed for further development. |
| dc.description.es-ES.fl_txt_mv | Se sintetizaron nanopartículas de sílice mediante dos rutas distintas: un proceso químico convencional y un enfoque verde sostenible utilizando bagazo de caña de azúcar. Estas nanopartículas se incorporaron a nanoestructuras de óxido de cerio (CeO₂) para su evaluación comparativa como sensores de gas de amoníaco (NH₃) a temperatura ambiente. La ruta química produjo sílice mediante la precipitación de silicato de sodio, mientras que la ruta verde extrajo sílice biológica de residuos agrícolas (bagazo de caña de azúcar). Ambos tipos de sílice se integraron con CeO₂ mediante un método de precipitación/recubrimiento para formar nanopartículas compuestas de CeO₂ modificadas con sílice, las cuales se utilizaron para fabricar dispositivos sensores quimiorresistivos. La caracterización estructural mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) reveló una morfología de CeO₂ alargada, en forma de varilla, distribuida en una matriz rica en sílice. La espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) confirmó la presencia de Si, Ce y O, lo que indica la formación exitosa del compuesto. Las pruebas de detección de gases demostraron que todos los sensores respondieron al NH₃ a temperatura ambiente, con una rápida disminución inicial de la resistencia tras la exposición al NH₃. La respuesta al gas (definida como el cambio en la relación de resistencia) alcanzó más del 600 % en segundos para los sensores nuevos y aumentó progresivamente con la exposición continua hasta los 10 minutos. Sin embargo, después de 15 minutos de exposición continua al NH₃, la respuesta del sensor se volvió negativa (~–11 %), lo que sugiere saturación de la superficie o adsorción irreversible de NH₃ en los sitios activos. Estos resultados sugieren que la sílice derivada del bagazo de caña de azúcar puede producir tendencias de respuesta al NH₃ ampliamente comparables a las de la sílice sintetizada químicamente en las presentes condiciones experimentales. No obstante, aún se requiere una comparación estadística completa con múltiples dispositivos para confirmar un rendimiento equivalente. La incorporación de sílice de origen ecológico proporciona, por lo tanto, una vía respetuosa con el medio ambiente para obtener sensores de gas de alto rendimiento a temperatura ambiente, aunque se necesitan pruebas de calibración y estabilidad a largo plazo para su posterior desarrollo. |
| dc.description.pt-BR.fl_txt_mv | Nanopartículas de sílica foram sintetizadas por duas rotas distintas – um processo químico convencional e uma abordagem verde sustentável utilizando bagaço de cana-de-açúcar – e incorporadas em nanoestruturas de óxido de cério (CeO₂) para avaliação comparativa como sensores de gás amônia (NH₃) à temperatura ambiente. A rota química produziu sílica por precipitação de silicato de sódio, enquanto a rota verde extraiu biossílica de resíduos agrícolas (bagaço de cana-de-açúcar). Ambos os tipos de sílica foram integrados ao CeO₂ por meio de um método de precipitação/revestimento para formar nanopartículas compósitas de CeO₂ modificadas com sílica, que foram utilizadas na fabricação de dispositivos sensores quimiorresistivos. A caracterização estrutural por microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelou uma morfologia alongada, em forma de bastonete, do CeO₂ distribuída em uma matriz rica em sílica, e a espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) confirmou a presença de Si, Ce e O, indicando a formação bem-sucedida do compósito. Os testes de detecção de gás demonstraram que todos os sensores responderam ao NH₃ à temperatura ambiente, com uma rápida diminuição inicial na resistência após a exposição ao NH₃. A resposta ao gás (definida como a variação na razão de resistência) atingiu mais de 600% em segundos após a exposição para sensores novos e aumentou progressivamente com a exposição contínua por até 10 minutos. Após 15 minutos de exposição contínua ao NH₃, no entanto, a resposta do sensor tornou-se negativa (aproximadamente -11%), sugerindo saturação da superfície ou adsorção irreversível de NH₃ nos sítios ativos. Esses resultados sugerem que a sílica derivada do bagaço de cana-de-açúcar pode produzir tendências de resposta ao NH₃ amplamente comparáveis à sílica sintetizada quimicamente nas condições experimentais atuais. No entanto, uma comparação estatística completa utilizando múltiplos dispositivos ainda é necessária para confirmar o desempenho equivalente. A incorporação de sílica de origem verde proporciona, portanto, um caminho ecologicamente correto para sensores de gás de alto desempenho que operam em temperatura ambiente, embora sejam necessários testes de calibração e estabilidade a longo prazo para o desenvolvimento futuro. |
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| description | Silica nanoparticles were synthesized via two distinct routes – a conventional chemical process and a sustainable green approach using sugarcane bagasse – and incorporated into cerium oxide (CeO₂) nanostructures for comparative evaluation as room-temperature ammonia (NH₃) gas sensors. The chemical route yielded silica by precipitating sodium silicate, whereas the green route extracted bio-silica from agricultural waste (sugarcane bagasse). Both silica types were integrated with CeO₂ through a precipitation/coating method to form silica–modified CeO₂ composite nanoparticles, which were fabricated into chemiresistive sensor devices. Structural characterization by scanning electron microscopy (SEM) revealed an elongated, rod-like CeO₂ morphology distributed in a silica-rich matrix, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the presence of Si, Ce, and O, indicating successful composite formation. Gas sensing tests demonstrated that all sensors responded to NH₃ at room temperature, with an initial rapid decrease in resistance upon NH₃ exposure. The gas response (defined as change in resistance ratio) reached over 600% within seconds of exposure for fresh sensors and progressively increased with continued exposure up to 10 min. After 15 min of continuous NH₃, however, the sensor response became negative (~–11%), suggesting surface saturation or irreversible adsorption of NH₃ on the active sites. These results suggest that sugarcane bagasse-derived silica can produce NH₃ response trends broadly comparable to chemically synthesized silica under the present experimental conditions. However, a full statistical comparison using multiple devices is still required to confirm equivalent performance. The incorporation of green-sourced silica thus provides an environmentally friendly pathway to high-performance, room-temperature gas sensors, though calibration and long-term stability tests are needed for further development. |
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Structural characterization by scanning electron microscopy (SEM) revealed an elongated, rod-like CeO₂ morphology distributed in a silica-rich matrix, and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the presence of Si, Ce, and O, indicating successful composite formation. Gas sensing tests demonstrated that all sensors responded to NH₃ at room temperature, with an initial rapid decrease in resistance upon NH₃ exposure. The gas response (defined as change in resistance ratio) reached over 600% within seconds of exposure for fresh sensors and progressively increased with continued exposure up to 10 min. After 15 min of continuous NH₃, however, the sensor response became negative (~–11%), suggesting surface saturation or irreversible adsorption of NH₃ on the active sites. These results suggest that sugarcane bagasse-derived silica can produce NH₃ response trends broadly comparable to chemically synthesized silica under the present experimental conditions. However, a full statistical comparison using multiple devices is still required to confirm equivalent performance. The incorporation of green-sourced silica thus provides an environmentally friendly pathway to high-performance, room-temperature gas sensors, though calibration and long-term stability tests are needed for further development.Se sintetizaron nanopartículas de sílice mediante dos rutas distintas: un proceso químico convencional y un enfoque verde sostenible utilizando bagazo de caña de azúcar. Estas nanopartículas se incorporaron a nanoestructuras de óxido de cerio (CeO₂) para su evaluación comparativa como sensores de gas de amoníaco (NH₃) a temperatura ambiente. La ruta química produjo sílice mediante la precipitación de silicato de sodio, mientras que la ruta verde extrajo sílice biológica de residuos agrícolas (bagazo de caña de azúcar). Ambos tipos de sílice se integraron con CeO₂ mediante un método de precipitación/recubrimiento para formar nanopartículas compuestas de CeO₂ modificadas con sílice, las cuales se utilizaron para fabricar dispositivos sensores quimiorresistivos. La caracterización estructural mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) reveló una morfología de CeO₂ alargada, en forma de varilla, distribuida en una matriz rica en sílice. La espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) confirmó la presencia de Si, Ce y O, lo que indica la formación exitosa del compuesto. Las pruebas de detección de gases demostraron que todos los sensores respondieron al NH₃ a temperatura ambiente, con una rápida disminución inicial de la resistencia tras la exposición al NH₃. La respuesta al gas (definida como el cambio en la relación de resistencia) alcanzó más del 600 % en segundos para los sensores nuevos y aumentó progresivamente con la exposición continua hasta los 10 minutos. Sin embargo, después de 15 minutos de exposición continua al NH₃, la respuesta del sensor se volvió negativa (~–11 %), lo que sugiere saturación de la superficie o adsorción irreversible de NH₃ en los sitios activos. Estos resultados sugieren que la sílice derivada del bagazo de caña de azúcar puede producir tendencias de respuesta al NH₃ ampliamente comparables a las de la sílice sintetizada químicamente en las presentes condiciones experimentales. No obstante, aún se requiere una comparación estadística completa con múltiples dispositivos para confirmar un rendimiento equivalente. La incorporación de sílice de origen ecológico proporciona, por lo tanto, una vía respetuosa con el medio ambiente para obtener sensores de gas de alto rendimiento a temperatura ambiente, aunque se necesitan pruebas de calibración y estabilidad a largo plazo para su posterior desarrollo.Nanopartículas de sílica foram sintetizadas por duas rotas distintas – um processo químico convencional e uma abordagem verde sustentável utilizando bagaço de cana-de-açúcar – e incorporadas em nanoestruturas de óxido de cério (CeO₂) para avaliação comparativa como sensores de gás amônia (NH₃) à temperatura ambiente. A rota química produziu sílica por precipitação de silicato de sódio, enquanto a rota verde extraiu biossílica de resíduos agrícolas (bagaço de cana-de-açúcar). Ambos os tipos de sílica foram integrados ao CeO₂ por meio de um método de precipitação/revestimento para formar nanopartículas compósitas de CeO₂ modificadas com sílica, que foram utilizadas na fabricação de dispositivos sensores quimiorresistivos. A caracterização estrutural por microscopia eletrônica de varredura (MEV) revelou uma morfologia alongada, em forma de bastonete, do CeO₂ distribuída em uma matriz rica em sílica, e a espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) confirmou a presença de Si, Ce e O, indicando a formação bem-sucedida do compósito. Os testes de detecção de gás demonstraram que todos os sensores responderam ao NH₃ à temperatura ambiente, com uma rápida diminuição inicial na resistência após a exposição ao NH₃. A resposta ao gás (definida como a variação na razão de resistência) atingiu mais de 600% em segundos após a exposição para sensores novos e aumentou progressivamente com a exposição contínua por até 10 minutos. Após 15 minutos de exposição contínua ao NH₃, no entanto, a resposta do sensor tornou-se negativa (aproximadamente -11%), sugerindo saturação da superfície ou adsorção irreversível de NH₃ nos sítios ativos. Esses resultados sugerem que a sílica derivada do bagaço de cana-de-açúcar pode produzir tendências de resposta ao NH₃ amplamente comparáveis à sílica sintetizada quimicamente nas condições experimentais atuais. No entanto, uma comparação estatística completa utilizando múltiplos dispositivos ainda é necessária para confirmar o desempenho equivalente. 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