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Functionalized Multiwalled Carbon Nanotubes for Highly Stable Room Temperature and Humidity-Tolerant Triethylamine Sensing

检出限 X射线光电子能谱 三乙胺 碳纳米管 选择性 拉曼光谱 材料科学 吸附 化学工程 相对湿度 表面改性 纳米技术 化学 有机化学 色谱法 催化作用 物理 工程类 光学 热力学
作者
Sukhwinder Singh,Wansik Oum,Sang Sub Kim,Hyoun Woo Kim
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:8 (12): 4664-4675 被引量:37
标识
DOI:10.1021/acssensors.3c01721
摘要

Triethylamine (TEA) poses a significant threat to our health and is extremely difficult to detect at the parts-per-billion (ppb) level at room temperature. Carbon nanotubes (CNTs) are versatile materials used in chemiresistive vapor sensing. However, achieving high sensitivity and selectivity with a low detection limit remains a challenge for pristine CNTs, hindering their widespread commercial application. To address these issues, we propose functionalized multiwalled CNTs (MWCNTs) with carboxylic acid (COOH)-based sensing channels for ultrasensitive TEA detection under ambient conditions. Advanced structural analyses confirmed the necessary modification of MWCNTs after functionalization. The sensor exhibited excellent sensitivity to TEA in air, with a superior noise-free signal (10 ppb), an extremely low limit of detection (LOD ≈ 0.8 ppb), excellent repeatability, and long-term stability under ambient conditions. Moreover, the response values became more stable, demonstrating excellent humidity resistance (40-80% RH). Notably, the functionalized MWCNT sensor exhibited improved response and recovery kinetics (200 and 400 s) to 10 ppm of TEA compared to the pristine MWCNT sensor (400 and 1300 s), and the selectivity coefficient for TEA gas was improved by approximately three times against various interferants, including ammonia, formaldehyde, nitrogen dioxide, and carbon monoxide. The remarkable improvements in TEA detection were mainly associated with the large specific surface area, abundant active sites, adsorbed oxygen, and other defects. The sensing mechanism was thoroughly explained by using Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). This study provides a new platform for CNT-based chemiresistive sensors with high selectivity, low detection limits, and enhanced precision with universal potential for applications in food safety and environmental monitoring.
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