Heterounión de g-C₃N₄/CoN₄ como sensor para la detección de compuestos orgánicos volátiles: un estudio de la teoría...

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Química Computacional
• Detección Química

Sus antecedentes:

• El análisis del aliento exhalado es crucial para el diagnóstico no invasivo de enfermedades.
• El desarrollo de sensores de gas sensibles y selectivos es esencial para detectar compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aliento.
• Los materiales basados en nitruro de carbono grafítico (g-C₃N₄) se exploran para aplicaciones de detección de gases.

Objetivo del estudio:

• Investigar el comportamiento de adsorción de biomarcadores clave del aliento exhalado en superficies de g-C₃N₄ prístino y del compuesto g-C₃N₄/CoN₄ utilizando cálculos de DFT.
• Comprender los mecanismos de interacción entre las moléculas de gas y las superficies del sensor analizando la energía de adsorción, las propiedades electrónicas y la distribución de carga.
• Evaluar el potencial de g-C₃N₄/CoN₄ como material para sensores de gas reutilizables para la detección de biomarcadores.

Principales métodos:

• Se emplearon cálculos de la Teoría de la Funcional de la Densidad (DFT).
• Se analizaron las energías de adsorción, las densidades de estados electrónicos (DOS), las estructuras de bandas, la diferencia de densidad de carga, la conductividad y la función de trabajo.
• Se simuló la adsorción de benceno, tolueno, anilina y o-toluidina en superficies de g-C₃N₄ y g-C₃N₄/CoN₄.

Principales resultados:

• El compuesto g-C₃N₄/CoN₄ mejoró significativamente la reactividad química y la estabilidad de g-C₃N₄, mejorando la adsorción de gases.
• El benceno, el tolueno y la anilina exhibieron adsorción reversible en g-C₃N₄/CoN₄, lo que indica su idoneidad para sensores reutilizables.
• La o-toluidina mostró una unión irreversible, lo que podría limitar su reutilización.
• La anilina demostró la interacción más fuerte con g-C₃N₄/CoN₄, mostrando la brecha de banda más baja, la mayor conductividad y la mayor sensibilidad.
• El análisis de la estructura de bandas confirmó la mejora de la conductividad eléctrica del compuesto tras la adsorción de anilina, incluso a temperatura ambiente.

Conclusiones:

• El compuesto g-C₃N₄/CoN₄ es un material prometedor para el desarrollo de sensores de gas selectivos y sensibles para biomarcadores del aliento exhalado.
• El material exhibe propiedades de adsorción y conductividad eléctrica mejoradas, particularmente para la detección de anilina.
• Los hallazgos teóricos proporcionan directrices para la validación experimental de g-C₃N₄/CoN₄ para la detección de COV en el análisis del aliento.