Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu lai giữa polypyrol và NiO cấu trúc nano cho nhạy khí NH3

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU LAI GIỮA POLYPYROL VÀ NIO CẤU TRÚC NANO CHO NHẠY KHÍ NH3

Ngành:

Vật liệu điện tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào nghiên cứu chế tạo và đánh giá vật liệu lai giữa polypyrol (PPy) và nio (NiO) cấu trúc nano nhằm cải thiện khả năng cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ thách thức lớn của ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt là khí NH3 độc hại, cùng với những hạn chế của các cảm biến khí oxit kim loại truyền thống (yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao dẫn đến thiếu ổn định). Các polyme dẫn như PPy và polyanilin (PANi) được xem là vật liệu tiềm năng cho cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ phòng nhờ các ưu điểm về tính chất hóa lý, giá thành và thân thiện môi trường, mặc dù độ nhạy thường thấp hơn oxit kim loại.

Để khắc phục hạn chế này, luận án đã chọn hướng tiếp cận vật liệu lai hóa, kết hợp ưu điểm của PPy (nhạy khí NH3 tốt) và NiO (oxit kim loại chuyển tiếp 3d với trạng thái hóa trị linh hoạt). Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của các hình thái học nano khác nhau của màng PPy và PANi đến tính chất nhạy khí NH3, đồng thời chế tạo thành công màng lai nano NiO/PPy và đánh giá đặc trưng nhạy khí của chúng.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, các màng PANi và PPy với các hình thái nano đa dạng (hạt, sợi, xốp) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp điện hóa hoặc trùng hợp pha hơi. Các màng PPy thể hiện khả năng đáp ứng khí NH3 tốt, thuận nghịch và thời gian hồi đáp nhanh ở nhiệt độ phòng, với mẫu PPy đám hạt nano đạt độ đáp ứng cao nhất (S = 2,15 ở 350 ppm NH3).

Đáng chú ý, luận án đã chế tạo thành công các màng lai NiO/PPy cấu trúc nano với tỉ phần khác nhau, được xác nhận thông qua các phân tích cấu trúc như phổ FTIR và Raman, cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự tồn tại liên kết lai hóa. Các màng lai NiO/PPy này thể hiện tính chất nhạy khí NH3 vượt trội ở nhiệt độ phòng (25°C), với độ đáp ứng cao nhất đạt S = 3,46 tại 350 ppm NH3, vượt trội so với các màng thuần PPy hoặc NiO. Đặc tính này được giải thích bởi sự đóng góp chính của cấu trúc lai NiO/PPy. Luận án cũng làm rõ cơ chế nhạy khí ở nhiệt độ phòng của tổ hợp lai hóa vô cơ – hữu cơ này, góp phần vào việc phát triển cảm biến khí NH3 hiệu suất cao.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
  • 1. Tính cấp thiết của luận án
  • 2. Mục tiêu của luận án
• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
  • 1.1. Polymer dẫn
    • 1.1.4. Cơ chế dẫn điện của CPs và polyme dẫn lai hóa vô cơ
      • 1.1.4.2. Cơ chế dẫn điện polyme pha tạp
    • 1.1.6. Phương pháp tổng hợp PPy
  • 1.2. Cảm biến khí trên cơ sở polyme dẫn
    • 1.2.1. Giới thiệu về cảm biến khí
      • b) Một số thông số cơ bản của cảm biến khí
    • 1.2.5. Cơ chế nhạy khí
      • a) Cơ chế nhạy khí dựa trên vật liệu polyme dẫn
• CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYME DẪN PPY VÀ PANI CHO NHẠY KHÍ NH3
  • 2.1. Tổng hợp và đặc trưng nhạy khí NH3 của các cấu trúc hình thái PANi từ phương pháp điện hóa CV
    • 2.1.1. Màng polyanilin tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
    • 2.1.2. Cấu trúc hình thái học và tính chất của màng PANi
      • b) Ảnh SEM của màng PANi
      • c) Phổ FTIR của màng PANi
    • 2.1.3. Đặc trưng nhạy khí NH3 của các cấu trúc hình thái học PANi
  • 2.2. Tổng hợp và đặc trưng nhạy khí NH3 của các cấu trúc hình thái PPy từ phương pháp trùng hợp pha hơi
    • 2.2.1. Màng Polypyrole tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp pha hơi
    • 2.2.2. Cấu trúc hình thái học và tính chất của màng PPy
      • a) Cấu trúc hình thái của các màng PPy
      • c) Phổ FTIR
      • e) Phổ phát xạ huỳnh quang (PL)
    • 2.2.3. Đặc trưng nhạy khí NH3 của các cấu trúc hình thái học PPy
      • a) Đáp ứng khí NH3 tại nhiệt độ phòng
      • b) Tính chất đáp ứng thuận nghịch và chọn lọc khí NH3 tại nhiệt độ phòng
      • c) Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động và độ ẩm
    • 2.2.4. Thảo luận về cơ chế nhạy khí của các cấu trúc PPy
• CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG NHẠY KHÍ NH3 CỦA VẬT LIỆU LAI NiO/PPy
  • 3.1. Tổng hợp màng lai hóa NiO/PPy
  • 3.2. Tính chất của màng lai hóa NiO/PPy
    • 3.2.1. Cấu trúc hình thái
      • b) Màng lai hóa NiO/PPy trên đế Al2O3
    • 3.2.3. Phổ FTIR
    • 3.2.4. Phổ tán xạ Raman
  • 3.3. Tính chất nhạy khí của các màng lai hóa NiO/PPy
  • Cơ chế nhạy khí của cảm biến:
• KẾT LUẬN CHUNG
  • 1. Các cấu trúc nano của PANi và PPy:
  • 2. Cấu trúc lai PPy với hạt nano NiO:
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN