Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết nối
Luận văn:Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc nano TiO2 dạng ống ứng dụng trong cảm biến khí : Luận văn
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Không khí rất cần cho nhịp sống sinh học của con ngƣời cũng nhƣ sự sống của trái
đất. Nhƣng hiện nay, nguồn không khí đang bị ô nhiễm trầm trọng bởi các tác nhân
nhƣ: khí thải từ công nghiệp, khí thải từ xe cơ giới, khí thải từ môi trƣờng dân sinh,
khí thải từ nông nghiệp, v.v. Vì vậy, trong không khí thƣờng xuyên tồn tại những khí
có tính oxy hóa khử nhƣ: CO, CO2, HC, VOC, NOx, v.v. Trong đó, NOx (NO2 và NO)
là những khí rất độc, gây ảnh hƣởng xấu đến sức khỏe con ngƣời và làm ô nhiễm môi
trƣờng không khí. Theo cơ quan sức khỏe an toàn lao động Mỹ (OSHA), giới hạn
nồng độ NO2 cho phép trong môi trƣờng khí mà con ngƣời có thể bị nhiễm là rất nhỏ
chỉ 3 pPhần mềm trong 8 giờ và với 5 pPhần mềm trong 25 phút. Vì thế, việc đo đạc, phân tích nồng
độ NO2 trong môi trƣờng không khí là rất quan trọng. Thực tế có nhiều thiết bị dùng
để phát hiện khí chính xác nhƣ: sắc ký khí, phổ kế khí khối lƣợng, v.v. nhƣng những
thiết bị này không phù hợp cho việc đo đạc nhanh ngay tại môi trƣờng đo. Bên cạnh
đó, một số loại cảm biến dùng để phát hiện khí nhanh nhƣ: cảm biến độ dẫn điện, cảm
biến nhiệt xúc tác, cảm biến điện hóa, v.v. Trong đó, cảm biến khí độ dẫn điện trên cơ
sở các oxit kim loại đã thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học bởi chúng có
các ƣu điểm sau: chế tạo đơn giản, độ nhạy cao, độ bền cao, đáp ứng nhanh, có thể
hoạt động ở môi trƣờng có nhiệt độ cao, phù hợp cho thiết kế thiết bị đo, có khả năng
ghép nối với các thiết bị điều khiển khác [52,59]. Cảm biến khí độ dẫn điện hoạt động
dựa trên sự thay đổi độ dẫn của lớp màng nhạy khí hay sự thay đổi điện trở tại vùng
tiếp xúc của kim loại điện cực - bán dẫn [52].
Cảm biến hoạt động trên sự thay đổi độ dẫn của lớp màng oxit kim loại nhƣ ZnO
[13,24,86], TiO2 [50], WO3 [51,81,85] có độ nhạy khí cao, phát hiện khí ở vùng nồng
độ thấp và khả năng chọn lọc khí NO2 tốt hiện đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Ví dụ,
WO3 dạng hạt cho độ nhạy cao tại 200 oC và có thể phát hiện đến 1 pPhần mềm NO2 [40], tổ
hợp ZnO/TiO2 có độ nhạy khá cao tại nồng độ cỡ 10 pPhần mềm NO2 với nhiệt độ hoạt động
360 oC [18]. Tuy nhiên, nhƣợc điểm chính của cảm biến độ dẫn điện dựa trên lớp
màng oxit kim loại đó là độ chọn lọc và nhiệt độ hoạt động cao. Khi hoạt động ở nhiệt
độ cao, lớp màng oxit kim loại xảy ra sự lớn lên về kích thƣớc hạt dẫn đến điện trở của
cảm biến thay đổi và cảm biến hoạt động thiếu tính ổn định. Để hạn chế nhƣợc điểm
này, oxit kim loại đƣợc quan tâm nghiên cứu ở dạng vật liệu có kích thƣớc nano-met
với hình thái học đặc biệt nhƣ dạng thanh, dạng ống, cầu, v.v. Bởi vì, những vật liệu
nano-oxit kim loại với dạng hình thái học đặc biệt này thể hiện tính chất nhạy khí thú
vị nhƣ có độ nhạy cao, độ chọn lọc khí rất tốt, hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao, v.v.
[26,33,36,52]. Trong đó, vật liệu nano-oxit TiO2 dạng ống đang đƣợc nghiên cứu
mạnh trong lĩnh vực cảm biến khí [18,50]. Cảm biến khí trên cơ sở ống nano TiO2 cho
độ nhạy khí cao, thời gian hồi đáp nhanh do vật liệu dạng ống có cấu trúc xốp, định
hƣớng ƣu tiên một chiều, khả năng hấp phụ và giải hấp cao [8,18,27,28,50]. Cụ thể,
oxit TiO2 dạng ống đang đƣợc quan tâm nghiên cứu phát hiện những loại khí độc và dễ
cháy nhƣ: NO2 [18,35,50], C2H5OH [79,82], H2 [41] và HCHO [67]. Vật liệu nano
oxit TiO2 dạng ống đƣợc tổng hợp bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: phƣơng
pháp điện hóa, phun phủ điện tử, lắng đọng pha hơi, thủy nhiệt, v.v.
[7,34,44,45,71,72,75,78,83]. Trong đó, phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc nghiên cứu phổ
biến để tổng hợp ống nano TiO2 bởi vì phƣơng pháp này có khả năng điều khiển đƣợc
hình dạng vật liệu, giá thành rẻ, tổng hợp ở nhiệt độ thấp, độ đồng đều cao và phù hợp
cho thiết kế trong cảm biến khí [7,72,75,83]. Tuy nhiên, ở mỗi điều kiện thủy nhiệt
khác nhau thì vật liệu tổng hợp đƣợc lại có kích thƣớc và hình dạng khác nhau. Chính
vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ lên sự hình thành cấu trúc
ống nano TiO2 là rất cần thiết.
Ngoài ra, một loại cảm biến khí dạng độ dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi điện
trở tiếp xúc kim loại điện cực - bán dẫn với nhiều ƣu điểm nhƣ cấu trúc đơn giản, hoạt
động ở vùng nhiệt độ thấp, giá thành rẻ, đã đƣợc nghiên cứu từ lâu đó là cảm biến điốt
Schottky [30,53,54]. Cảm biến điốt Schottky hoạt động dựa trên sự thay đổi độ cao rào
thế Schottky tại vùng tiếp xúc kim loại điện cực/bán dẫn gây ra bởi các tác nhân khí
oxy hóa/khử do đó làm thay đổi đặc trƣng I-V của điốt. Đặc biệt, gần đây cảm biến khí
điốt Schottky dựa trên tiếp giáp giữa kim loại và nano-oxit kim loại, ví dụ nhƣ Au
(Pt)/TiO2 [25,41] hay Pd/TiO2 [22] đang đƣợc quan tâm nghiên cứu mạnh. Cảm biến
dạng điốt Schottky nhƣ Au/TiO2 hay Pt/TiO2 có khả năng phát hiện khí oxy hóa/khử
ở vùng nồng độ thấp, tín hiệu hồi đáp nhanh và nhiệt độ hoạt động thấp. Tuy nhiên, cơ
chế nhạy khí cũng nhƣ ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng xung quanh
lên tính chất nhạy khí của loại cảm biến điốt Schottky cần đƣợc nghiên cứu làm rõ.
Cũng theo các xu hƣớng trên, tại Việt Nam xu hƣớng nghiên cứu cảm biến khí
trên cơ sở oxit kim loại có những trung tâm nghiên cứu lớn nhƣ tại Trƣờng đại học
Bách khoa Hà Nội [20,48], Viện Kỹ thuật nhiệt đới [55] và Viện Khoa học vật liệu.
Tại Phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí - Viện Khoa học vật liệu, chúng tui cũng bƣớc
đầu nghiên cứu cảm biến khí độ dẫn điện dựa trên các tấm nano WO3, nano-oxit TiO2
hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp và cho độ nhạy khí cao
Dựa trên các cơ sở đó, luận văn này trình bày: “Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu
trúc nano TiO2 dạng ống ứng dụng trong cảm biến khí”.
Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ thủy nhiệt lên sự hình thành
vật liệu cấu trúc nano-oxit TiO2 dạng ống. Tổng hợp vật liệu cấu trúc nano-oxit TiO2
dạng ống bằng phƣơng pháp thủy nhiệt có độ đồng đều nhằm ứng dụng cho cảm biến
khí.
- Nghiên cứu tính chất nhạy khí với một số khí oxy hóa/khử mạnh trên cơ sở vật
liệu TiO2 dạng ống đã chế tạo đƣợc.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Luận văn:Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc nano TiO2 dạng ống ứng dụng trong cảm biến khí : Luận văn
1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Không khí rất cần cho nhịp sống sinh học của con ngƣời cũng nhƣ sự sống của trái
đất. Nhƣng hiện nay, nguồn không khí đang bị ô nhiễm trầm trọng bởi các tác nhân
nhƣ: khí thải từ công nghiệp, khí thải từ xe cơ giới, khí thải từ môi trƣờng dân sinh,
khí thải từ nông nghiệp, v.v. Vì vậy, trong không khí thƣờng xuyên tồn tại những khí
có tính oxy hóa khử nhƣ: CO, CO2, HC, VOC, NOx, v.v. Trong đó, NOx (NO2 và NO)
là những khí rất độc, gây ảnh hƣởng xấu đến sức khỏe con ngƣời và làm ô nhiễm môi
trƣờng không khí. Theo cơ quan sức khỏe an toàn lao động Mỹ (OSHA), giới hạn
nồng độ NO2 cho phép trong môi trƣờng khí mà con ngƣời có thể bị nhiễm là rất nhỏ
chỉ 3 pPhần mềm trong 8 giờ và với 5 pPhần mềm trong 25 phút. Vì thế, việc đo đạc, phân tích nồng
độ NO2 trong môi trƣờng không khí là rất quan trọng. Thực tế có nhiều thiết bị dùng
để phát hiện khí chính xác nhƣ: sắc ký khí, phổ kế khí khối lƣợng, v.v. nhƣng những
thiết bị này không phù hợp cho việc đo đạc nhanh ngay tại môi trƣờng đo. Bên cạnh
đó, một số loại cảm biến dùng để phát hiện khí nhanh nhƣ: cảm biến độ dẫn điện, cảm
biến nhiệt xúc tác, cảm biến điện hóa, v.v. Trong đó, cảm biến khí độ dẫn điện trên cơ
sở các oxit kim loại đã thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học bởi chúng có
các ƣu điểm sau: chế tạo đơn giản, độ nhạy cao, độ bền cao, đáp ứng nhanh, có thể
hoạt động ở môi trƣờng có nhiệt độ cao, phù hợp cho thiết kế thiết bị đo, có khả năng
ghép nối với các thiết bị điều khiển khác [52,59]. Cảm biến khí độ dẫn điện hoạt động
dựa trên sự thay đổi độ dẫn của lớp màng nhạy khí hay sự thay đổi điện trở tại vùng
tiếp xúc của kim loại điện cực - bán dẫn [52].
Cảm biến hoạt động trên sự thay đổi độ dẫn của lớp màng oxit kim loại nhƣ ZnO
[13,24,86], TiO2 [50], WO3 [51,81,85] có độ nhạy khí cao, phát hiện khí ở vùng nồng
độ thấp và khả năng chọn lọc khí NO2 tốt hiện đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Ví dụ,
WO3 dạng hạt cho độ nhạy cao tại 200 oC và có thể phát hiện đến 1 pPhần mềm NO2 [40], tổ
hợp ZnO/TiO2 có độ nhạy khá cao tại nồng độ cỡ 10 pPhần mềm NO2 với nhiệt độ hoạt động
360 oC [18]. Tuy nhiên, nhƣợc điểm chính của cảm biến độ dẫn điện dựa trên lớp
màng oxit kim loại đó là độ chọn lọc và nhiệt độ hoạt động cao. Khi hoạt động ở nhiệt
độ cao, lớp màng oxit kim loại xảy ra sự lớn lên về kích thƣớc hạt dẫn đến điện trở của
cảm biến thay đổi và cảm biến hoạt động thiếu tính ổn định. Để hạn chế nhƣợc điểm
này, oxit kim loại đƣợc quan tâm nghiên cứu ở dạng vật liệu có kích thƣớc nano-met
với hình thái học đặc biệt nhƣ dạng thanh, dạng ống, cầu, v.v. Bởi vì, những vật liệu
nano-oxit kim loại với dạng hình thái học đặc biệt này thể hiện tính chất nhạy khí thú
vị nhƣ có độ nhạy cao, độ chọn lọc khí rất tốt, hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao, v.v.
[26,33,36,52]. Trong đó, vật liệu nano-oxit TiO2 dạng ống đang đƣợc nghiên cứu
mạnh trong lĩnh vực cảm biến khí [18,50]. Cảm biến khí trên cơ sở ống nano TiO2 cho
độ nhạy khí cao, thời gian hồi đáp nhanh do vật liệu dạng ống có cấu trúc xốp, định
hƣớng ƣu tiên một chiều, khả năng hấp phụ và giải hấp cao [8,18,27,28,50]. Cụ thể,
oxit TiO2 dạng ống đang đƣợc quan tâm nghiên cứu phát hiện những loại khí độc và dễ
cháy nhƣ: NO2 [18,35,50], C2H5OH [79,82], H2 [41] và HCHO [67]. Vật liệu nano
oxit TiO2 dạng ống đƣợc tổng hợp bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ: phƣơng
pháp điện hóa, phun phủ điện tử, lắng đọng pha hơi, thủy nhiệt, v.v.
[7,34,44,45,71,72,75,78,83]. Trong đó, phƣơng pháp thủy nhiệt đƣợc nghiên cứu phổ
biến để tổng hợp ống nano TiO2 bởi vì phƣơng pháp này có khả năng điều khiển đƣợc
hình dạng vật liệu, giá thành rẻ, tổng hợp ở nhiệt độ thấp, độ đồng đều cao và phù hợp
cho thiết kế trong cảm biến khí [7,72,75,83]. Tuy nhiên, ở mỗi điều kiện thủy nhiệt
khác nhau thì vật liệu tổng hợp đƣợc lại có kích thƣớc và hình dạng khác nhau. Chính
vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ lên sự hình thành cấu trúc
ống nano TiO2 là rất cần thiết.
Ngoài ra, một loại cảm biến khí dạng độ dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi điện
trở tiếp xúc kim loại điện cực - bán dẫn với nhiều ƣu điểm nhƣ cấu trúc đơn giản, hoạt
động ở vùng nhiệt độ thấp, giá thành rẻ, đã đƣợc nghiên cứu từ lâu đó là cảm biến điốt
Schottky [30,53,54]. Cảm biến điốt Schottky hoạt động dựa trên sự thay đổi độ cao rào
thế Schottky tại vùng tiếp xúc kim loại điện cực/bán dẫn gây ra bởi các tác nhân khí
oxy hóa/khử do đó làm thay đổi đặc trƣng I-V của điốt. Đặc biệt, gần đây cảm biến khí
điốt Schottky dựa trên tiếp giáp giữa kim loại và nano-oxit kim loại, ví dụ nhƣ Au
(Pt)/TiO2 [25,41] hay Pd/TiO2 [22] đang đƣợc quan tâm nghiên cứu mạnh. Cảm biến
dạng điốt Schottky nhƣ Au/TiO2 hay Pt/TiO2 có khả năng phát hiện khí oxy hóa/khử
ở vùng nồng độ thấp, tín hiệu hồi đáp nhanh và nhiệt độ hoạt động thấp. Tuy nhiên, cơ
chế nhạy khí cũng nhƣ ảnh hƣởng của nhiệt độ và độ ẩm của môi trƣờng xung quanh
lên tính chất nhạy khí của loại cảm biến điốt Schottky cần đƣợc nghiên cứu làm rõ.
Cũng theo các xu hƣớng trên, tại Việt Nam xu hƣớng nghiên cứu cảm biến khí
trên cơ sở oxit kim loại có những trung tâm nghiên cứu lớn nhƣ tại Trƣờng đại học
Bách khoa Hà Nội [20,48], Viện Kỹ thuật nhiệt đới [55] và Viện Khoa học vật liệu.
Tại Phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí - Viện Khoa học vật liệu, chúng tui cũng bƣớc
đầu nghiên cứu cảm biến khí độ dẫn điện dựa trên các tấm nano WO3, nano-oxit TiO2
hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp và cho độ nhạy khí cao
Dựa trên các cơ sở đó, luận văn này trình bày: “Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu
trúc nano TiO2 dạng ống ứng dụng trong cảm biến khí”.
Mục tiêu của luận văn
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố công nghệ thủy nhiệt lên sự hình thành
vật liệu cấu trúc nano-oxit TiO2 dạng ống. Tổng hợp vật liệu cấu trúc nano-oxit TiO2
dạng ống bằng phƣơng pháp thủy nhiệt có độ đồng đều nhằm ứng dụng cho cảm biến
khí.
- Nghiên cứu tính chất nhạy khí với một số khí oxy hóa/khử mạnh trên cơ sở vật
liệu TiO2 dạng ống đã chế tạo đƣợc.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links