High-Sensitivity CO2 Sensor Based on a Graphene Oxide Coated Long-Period Fiber Grating

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O problema

A detecção precisa de dióxido de carbono (CO2​) é crucial para diversas áreas, desde o monitoramento ambiental e de saúde até aplicações industriais vitais, como nas indústrias de alimentos, petróleo, química e médica. Muitas dessas aplicações exigem um monitoramento confiável, especialmente em condições adversas de umidade, pressão e temperatura, como em poços de petróleo ou minas profundas. Os sensores de CO2​ mais comuns disponíveis comercialmente, como os baseados em infravermelho não dispersivo (NDIR) ou semicondutores, apresentam limitações significativas, incluindo alto custo, tamanho e peso elevados, baixa durabilidade e vulnerabilidade a interferências eletromagnéticas. Diante disso, os sensores de fibra óptica têm ganhado destaque por serem compactos, imunes a interferências eletromagnéticas, permitirem a integração de múltiplos sensores, monitoramento remoto e terem baixo custo, mesmo em ambientes hostis. No entanto, as fibras ópticas convencionais são quimicamente inertes, necessitando de um revestimento especial para interagir com os gases e permitir a detecção.

Abordagem utilizada

Este estudo apresenta o desenvolvimento e a caracterização de um novo sensor de CO2​ baseado em uma grade de fibra de período longo (LPFG) revestida com óxido de grafeno (GO). O princípio de funcionamento do sensor se baseia na mudança do comprimento de onda de ressonância da LPFG, que ocorre quando o índice de refração do revestimento de GO se altera devido à interação com as moléculas de CO2​.

Para fabricar o sensor, primeiramente uma LPFG foi criada em uma fibra óptica monomodo padrão através da técnica de arco elétrico. Em seguida, a fibra passou por um processo de limpeza e silanização, que utiliza (3-Aminopropil)trietoxisilano (APTES) para melhorar a adesão do GO à superfície da fibra e também para tornar o GO hidrofóbico, ajudando a diminuir a interferência da umidade. O óxido de grafeno foi sintetizado utilizando uma modificação do método de Hummers, com etapas estendidas de oxidação para produzir um material com alto grau de oxidação e esfoliação, características que melhoram a adsorção de gases. Finalmente, a LPFG silanizada foi revestida com a solução de GO através da técnica de dip-coating (imersão controlada). O GO foi escolhido devido à sua estrutura defeituosa, alta oxidação e rugosidade superficial, que são ideais para a detecção de CO2​.

Resultados

A caracterização estrutural e química do GO confirmou sua morfologia desejável para a adsorção de gás, com uma estrutura defeituosa, alto grau de oxidação e uma superfície significativamente rugosa, o que aumenta a área de contato para a interação com o CO2​. Análises de Raman e Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) mostraram que o GO foi bem aderido à fibra, formando um revestimento uniforme e texturizado, ideal para a função de sensoriamento.

O desempenho do sensor foi avaliado em concentrações de CO2​ variando de 5% a 65% em um ambiente controlado com gás Argônio, mantendo a temperatura constante em 25∘C e eliminando a umidade. Observou-se que, com o aumento da concentração de CO2​, o comprimento de onda de ressonância do sensor deslocava-se para comprimentos de onda mais longos (processo de adsorção). O processo inverso ocorria durante a dessorção. Fibras LPFG não revestidas não mostraram sensibilidade significativa às variações de CO2​, validando o papel crucial do revestimento de GO.

O sensor demonstrou uma notável sensibilidade de aproximadamente 0.0643 nm/% para adsorção e 0.0629 nm/% para dessorção, analisada na faixa de concentração de CO2​ entre 20% e 55% (onde o sensor apresentou melhor resposta, evitando zonas de saturação ou baixa detecção). Além disso, o sensor apresentou baixa histerese (pequena diferença entre as leituras de adsorção e dessorção), o que confirma sua estabilidade e confiabilidade. A resposta do sensor também mostrou uma excelente linearidade, com coeficientes de regressão linear de aproximadamente 96% nos ciclos de adsorção e 97% nos de dessorção dentro da faixa otimizada.

Perspectivas

Os resultados destacam o potencial significativo do sensor LPFG revestido com GO para aplicações práticas na detecção de CO2​. Este tipo de sensor oferece vantagens importantes como imunidade à interferência eletromagnética e facilidade de integração em tecnologias de sensoriamento remoto e sistemas multiplexados (múltiplos sensores em uma única fibra). Embora o estudo tenha focado no desempenho em condições controladas, os autores sugerem que, para aplicações em ambientes reais, onde a umidade e a temperatura podem interferir, métodos de filtragem de sinal, como o uso de redes neurais artificiais, poderiam ser empregados para isolar o sinal de CO2​ de outros parâmetros indesejados. Este trabalho abre caminho para o desenvolvimento de sensores de CO2​ mais eficientes, robustos e versáteis para diversas áreas.

Citação recomendada: Anne C. P. Fernandes, Nayton C. Vicentini, Matheus S. Couto, Giovanni R. Carvalho, Benjamin Fragneaud, Cristiano Legnani, Indhira O. Maciel, Renato Luiz Faraco Filho, João Victor de Castro Nascimento, João Pedro Emanuel Ferreira, Felipe Barino, Diogo Coelho, Alexandre Bessa dos Santos, Welber G. Quirino, "High-Sensitivity CO2 Sensor Based on a Graphene Oxide Coated Long-Period Fiber Grating." ACS Omega, 2025.