Titlu Proiect: Sistem de senzori ultra-sensibil pentru detecția formaldehidei în medii interioare
Acronim: FormalSens
Tip proiect: PNCDI IV - Program 5.7 - Parteneriat pentru Inovare, Subprogramul 5.7.1 Parteneriate pentru competitivitate. Proiect Experimental Demonstrativ (PED)
Contract nr. 2 PED⁄ 2025 (ID PN-IV-P7-7.1-PED-2024-0977)
Durata proiectului: 08/01/2025 - 31/12/2026
Buget: 764.670 lei
Instituţie contractoare: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie – IMT Bucureşti (www.imt.ro)
Autoritate contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării – UEFISCDI (www.uefiscdi.gov.ro)
Director proiect: Dr. Angela BARACU (angela.baracu@imt.ro)

Formaldehida (CH₂O) este un compus organic volatil nociv și toxic, care ridică îngrijorări serioase cu privire la sănătatea umană și la mediul de viață, datorită efectului său cancerigen. Începând cu anul 2010, formaldehida este considerată un cancerigen de Grupa 1 de către Organizația Mondială a Sănătății (OMS) și, de asemenea, unul dintre principalii poluanți ai aerului din interior în ghidurile OMS pentru calitatea aerului interior, cu o limită de concentrație foarte scăzută de 80 ppb (părți per miliard). Prin urmare, există o nevoie urgentă de metode de monitorizare sensibile și selective. Tehnicile analitice standard utilizate în prezent pentru detecțiaCH₂O (spectrofotometria, cromatografia sau polarografia) necesită instrumente costisitoare și operatori bine instruiți.
Proiectul propus (FormalSens) va dezvolta o abordare inedită, integrând dispozitive SAW rezonante (bazate pe unde acustice de suprafață) cu nitrură de carbon grafică (g-C₃N₄) decorată cu nanoparticule de oxid de zinc (ZnO), oferind sensibilitate ridicată, temperatură de operare scăzută și selectivitate excelentă. Mai mult, sistemul va permite detecția(CH₂O) în prezența speciilor interferente (NH₃, NO₂, CO) și a diferitelor niveluri de umiditate (20-80%), făcându-l adecvat pentru condiții reale de mediu.
Metoda propusă de FormalSens (pornind de la TRL 2 și avansând la TRL 4) va aborda problemele majore ale poluării aerului din interior cu formaldehidă prin monitorizarea sa eficientă, în conformitate cu reglementările internaționale de mediu din ce în ce mai severe.

Scopul principal al proiectului este de a dezvolta și valida un senzor sensibil, selectiv și care funcționează la temperatura camerei (TC), bazat pe dispozitive cu Unde Acustice de Suprafață (SAW), pentru detecția formaldehidei (CH₂O), un gaz toxic și nociv prezent în mediile interioare rezidențiale.

Sensibilitatea ridicată a senzorului de gaz va fi asigurată atât prin utilizarea de dispozitive de tip rezonant bazate pe structuri SAW, cât și prin utilizarea filmului de detecție din nitrură de carbon grafică (g-C₃N₄) decorată cu nanoparticule (NP) de oxid de zinc ZnO, care măresc suprafața specifică, oferind mai multe situri de adsorbție.

Selectivitatea excelentă a noilor senzori propuși va fi oferită de adăugarea nanoparticule (NP) de oxid de zincîn structura compozită. Acestea prezintă suprafețe mari, cu un număr mare de specii de oxigen disponibile pentru interacțiunile cu atomii de hidrogen din moleculele de CH₂O prin legături de hidrogen. Mai mult, prin integrarea nanomaterialelor in dispozitivele SAW, temperatura de operare a senzorilor de CH₂O este redusă.

Obiectivele generale ale proiectului includ:

• Creșterea nivelului de maturitate tehnologică prin dezvoltarea unui sistem integrat pentru detecția CH₂O, incluzând tehnologia micro-senzorilor SAW existenți și platforma de testare, prin imobilizarea unui film subțire nanocompozit selectiv pe suprafața de detecție SAW și procesarea datelor.

• Generarea de noi soluții validate în laborator pentru determinarea CH₂O în timp real, care să fie oferite agenților economici.

Etapa 1/2025

În cadrul acestei etape s-a realizat fabricarea unor dispozitive SAW, pe substrat piezoelectric de cuarț, cu tăietură ST, folosind tehnicile fotolitografice. S-a utilizat configurația de linie acustică de întârziere, care cuprinde două structuri interdigitate și o zonă de detecție plasată între acestea. Structura SAW a fost fabricată integral din Cr/Au, cu grosimea filmului 15/150 nm.
Materialele de detecție au fost sintetizate prin calcinare directă a ureei, melaminei sau a acidului cianuric pentru obținerea nitrurii de carbon grafitice, și prin metoda sol-gel urmată de calcinare pentru prepararea oxidului de zinc. Aceste materiale au fost obținute în mai multe condiții, modificând materia primă în cazul g-C₃N₄ sau temperatura de calcinare și atmosfera gazului purtător în cazul ZnO. Materialele nanocompozite pe bază de g-C₃N₄ și ZnO au fost preparate prin amestecarea de dispersii ce conțin componentele individuale de g-C₃N₄ și ZnO, și aplicarea ultrasunetelor asupra noii dispersii. S-a variat raportul volumetric dintre cele 2 dispersii cu componenta individuală, pentru a obține grade diferite de încărcare a nitrurii de carbon cu particule de ZnO.
Caracterizarea morfo-structurală a materialelor sintetizate a fost efectuată prin mai multe tehnici de analiză (SEM, XRD și FTIR). Imaginile SEM au indicat structura formată din nanostraturi a nitrurii de carbon grafitice și forma sferică a nanoparticulelor de ZnO. De asemenea, materialele nanocompozite g-C₃N₄@ZnO au prezentat cele 2 componente individuale, alcătuind o rețea interconectată din cele 2 tipuri de particule. Analiza XRD a confirmat prezența fazelor cristaline de g-C₃N₄ și ZnO în materialele sintetizate, cât și în materialele nanocompozite g-C₃N₄@ZnO.
Diseminarea rezultatelor s-a realizat prin intermediul mai multor lucrări și comunicări prezentate la conferințe internaționale sub formă de poster sau prezentare orală. De asemenea, o lucrare a fost trimisă spre publicarea într-un jurnal prestigios ISI (Q1) și se află sub evaluare.

Conference

1. A. Baracu, O. Simionescu, V. Buiculescu, M. Stoian, C. Obreja, G. Craciun, F. Comanescu, SAW sensors based on nanocrystalline graphite for environmental applications, the 48th edition of the International Semiconductor Conference - CAS 2025, Sinaia, Romania, October 7^th-11^th, 2025 (Poster).
2. Angela Baracu, Marius Stoian, Octavian Simionescu, Cosmin Obreja, Valentin Buiculescu, Raluca Gavrila, Gabriel Craciun, Florin Comanescu, Advanced SAW Sensors Based on Nanocrystalline Graphite for Air Quality Monitoring, IEEE SENSORS 2025, Vancouver, Canada, October 19^th-22^nd,2025 (Lecture).
3. M. Stoian, C. Obreja, V. Buiculescu, A. Dinescu, A. Baracu, Graphitic carbon nitride-based SAW sensor for sensitive detection of formaldehyde, IEEE SENSORS 2025, Vancouver, Canada, October 19-22, 2025 (Poster).
4. A. Baracu, M. Stoian, O. Simionescu, C. Obreja, V. Buiculescu, R. Gavrila, G. Craciun, F. Comanescu, Development of Carbon-Based Sensitive SAW Sensors for Air Pollution Monitoring, the 17th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-17), Hamamatsu, Japan, November 16^th – 23^rd, 2025 (Lecture).
5. M. Stoian, C. Obreja, V. Buiculescu, A. Dinescu, A. Baracu, Graphitic carbon nitride-based material integrated in a SAW device for the detection of formaldehyde, 17th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-17), Hamamatsu, Shizuoka, Japan, November 16-23, 2025 (Poster).
6. M. Stoian, A. Baracu, C. Romanitan, O. Brincoveanu, A. Radoi, Synthesis of cobalt oxide and cobalt hexacyanoferrate nanoparticles for electrode development with energy storage applications, 8th Autumn School on Physics of Advanced Materials (PAMS-8), Hamamatsu, Shizuoka, Japan, November 16–23, 2025 (Poster).

ISI Journals

1. Marius C. Stoian, Cosmin Alexandru Obreja, Dana G. Popescu, Bogdan Trica, Raluca Gavrila, Valentin Buiculescu, Angela Mihaela Baracu, Surface acoustic wave sensor based on molecularly imprinted polymer for highly sensitive detection of glyphosate, Applied Materials Today APMT-S-23-02750 (lucrare trimisă spre evaluare)

Consortiu:

• National Institute for Research and Development in Microtechnologies (IMT-Bucharest)
• ECONIRV SRL