Tên luận án:
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO CNTs/ WO3 ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN KHÍ NH3 Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG
Ngành:
Vật lý kỹ thuật
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án tập trung giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí, đặc biệt là sự cần thiết phát triển các cảm biến khí hiệu quả cho việc giám sát các loại khí độc hại như NH3 ở nhiệt độ phòng. Các cảm biến khí truyền thống thường gặp hạn chế về độ đáp ứng thấp (với ống nano cácbon - CNTs) hoặc yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao (với ôxít kim loại bán dẫn - SMO), dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn và chi phí cao.
Đề tài "Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs/WO3 ứng dụng làm cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng" được thực hiện với các mục tiêu chính: chế tạo cảm biến khí dựa trên màng nhạy là tổ hợp vật liệu CNTs/WO3 và CNTs chức hóa (f-CNTs)/WO3; khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, tỉ lệ khối lượng thành phần, độ ẩm môi trường lên đặc tính nhạy khí NH3; và đưa ra cơ chế giải thích đặc tính nhạy khí của các cảm biến này. Các phương pháp chế tạo vật liệu bao gồm lắng đọng từ pha hơi (CVD), thủy nhiệt phân, và Hummers cho chức hóa CNTs. Vật liệu được đặc trưng bằng FE-SEM, HR-TEM, Raman, FTIR, EDX, XRD, và tính chất nhạy khí được đo bằng phép đo điện trở.
Các kết quả chính của luận án cho thấy:
- Đối với vật liệu tổ hợp CNTs/WO3, mẫu cảm biến với 5% CNTs và 95% WO3 đạt hiệu suất tối ưu tại nhiệt độ phòng và độ ẩm 50%, với độ đáp ứng lên tới 351% với 60 ppm NH3. Cảm biến này thể hiện độ đáp ứng tuyến tính trong dải nồng độ 15-90 ppm NH3 và giới hạn phát hiện là 6,0 ppb, cùng với thời gian đáp ứng và phục hồi tương đối ngắn (220 s và 440 s) và tính chọn lọc tốt với NH3.
- Phương pháp Hummers đã được sử dụng thành công để chức hóa CNTs, tạo ra các nhóm chức hydroxyl, carbonyl và carboxylic trên bề mặt ống cácbon, cải thiện đáng kể hiệu suất cảm biến. Với vật liệu tổ hợp f-CNTs/WO3, mẫu có 5% f-CNTs và 95% WO3 là tối ưu nhất, cho độ đáp ứng 275% với 60 ppm NH3, thời gian đáp ứng và phục hồi nhanh nhất (150 s và 195 s), cùng tính chọn lọc cao với NH3. Giới hạn phát hiện của cảm biến này là 3,5 ppb.
- Cơ chế nhạy khí được giải thích dựa trên sự hình thành chuyển tiếp dị thể p-p giữa ống nano cácbon/f-CNTs và nano WO3, cũng như tương tác giữa phân tử NH3 với các nhóm chức trên thành ống cácbon. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường lên độ đáp ứng cũng được làm rõ.
Luận án đã đóng góp quan trọng trong việc phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu nano phù hợp với điều kiện Việt Nam và cung cấp cơ sở khoa học để phát triển thế hệ cảm biến khí mới có độ đáp ứng cao, hoạt động ở nhiệt độ phòng, và khả năng phát hiện NH3 ở nồng độ thấp, ứng dụng trong quan trắc môi trường, y tế và an toàn thực phẩm. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trong 06 công trình khoa học.
Mục lục chi tiết:
-
MỞ ĐẦU
- 1. Tính cấp thiết của đề tài
- 2. Mục tiêu của luận án
- 3. Phương pháp nghiên cứu
- 4. Ý nghĩa khoa học của luận án
- 5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- 6. Các kết quả mới của luận án đạt được
- 7. Nội dung của luận án
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thực nghiệm
- Chương 3: Đặc tính nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs và WO3
- Chương 4: Đặc tính nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs chức hóa/WO3.
-
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
- 1.1. Vật liệu CNTs
- 1.1.1. Cấu trúc của CNTs
- 1.1.2. Tính chất điện của CNTs
- 1.1.3. Cơ chế hình thành CNTs
- 1.1.4. Một số phương pháp tổng hợp CNTs
- 1.1.5. Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên CNTs
- 1.1.6. Biến tính CNTs
- 1.2. Vật liệu WO3
- 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của WO3
- 1.2.2. Tính chất điện
- 1.2.3. Tổng hợp vật liệu WO3 cho cảm biến khí
- 1.2.4. Cảm biến khí dựa trên vật liệu WO3
- 1.3. Cảm biến khí dựa trên vật liệu SMO hoạt động ở nhiệt độ phòng
- 1.4. Cảm biến khí NH3 hoạt động ở nhiệt độ phòng
-
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
- 2.1. Tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD
- 2.1.1. Hóa chất và thiết bị
- 2.1.2. Phủ màng kim loại xúc tác
- 2.1.3 Tổng hợp CNTs
- 2.2. Chế tạo vật liệu nano WO3 bằng phương pháp nhiệt thủy phân
- 2.1.1. Hóa chất và thiết bị
- 2.2.2. Quy trình chế tạo vật liệu WO3.
- 2.3. Chức hóa CNTs bằng phương pháp Hummers
- 2.3.1. Hóa chất và thiết bị
- 2.3.2. Quy trình chế tạo vật liệu CNTs chức hóa
- 2.4. Chế tạo cảm biến
- 2.4.1. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs/WO3
- 2.4.3. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa /WO3
- 2..5 Phân tích hình thái và cấu trúc
- 2.6. Hệ thí nghiệm khảo sát tính chất nhạy khí
- 2.7. Các thông số đặt trưng của cảm biến khí
- 2.7.1. Độ đáp ứng
- 2.7.2. Thời gian đáp ứng và thời gian phục hồi
- 2.7.3. Tính chọn lọc
- 2.7.4. Tính ổn định
- 2.7.5. Giới hạn phát hiện
-
CHƯƠNG 3. ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP CNTS VÀ WO3
- 3.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu
- 3.1.1. Hình thái và cấu trúc của CNTs
- 3.1.2. Hình thái và cấu trúc của vật liệu WO3
- 3.1.3. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTS/WO3
- 3.2. Tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTS/WO3
- 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên độ đáp ứng cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
- 3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng các thành phần lên tính chất nhạy khí cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
- 3.2.3. Độ chọn lọc của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
- 3.2.4. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường lên độ đáp ứng cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
- 3.2.5. Giải thích cơ chế nhạy khí của tổ hợp vật liệu CNTs/WO3 ở nhiệt độ phòng
-
Kết luận chương 3
-
CHƯƠNG 4. ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN TỔ HỢP VẬT LIỆU CNTs CHỨC HÓA/WO3
- 4.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu
- 4.1.1. Hình thái và cấu trúc của CNTs chức hóa
- 4.1.2. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs chức hóa/WO3
- 4.2. Tính chất nhạy khí tại nhiệt độ phòng của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/ WO3
- 4.2.1. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên CNTs chức hóa
- 4.2.2. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/WO3
-
Kết luận chương 4
-
KẾT LUẬN
-
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN