Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo ô xít kim loại Zn2SnO4 ứng dụng trong cảm biến hợp chất hữu cơ

• Tác giả: Nguyễn Hồng Hanh
• Người hướng dẫn: TS. Chử Mạnh Hưng
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo ô xít kim loại Zn2SnO4 cho cảm biến hợp chất hữu cơ
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU Zn2SnO4
• 1.1. Tính chất điện của vật liệu Zn2SnO4
• 1.2. Phương pháp chế tạo vật liệu Zn2SnO4
• 1.3. Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu Zn2SnO4 trong cảm biến khí
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU Zn2SnO4 VỚI HÌNH THÁI KHÁC NHAU BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU Zn2SnO4
• 2.1. Thiết bị và hóa chất để chế tạo Zn2SnO4
• 2.2. Quy trình chế tạo Zn2SnO4 có các hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.3. Hình thái của điện cực cảm biến
• 2.4. Quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu Zn2SnO4
• 2.5. Quy trình biến tính hạt nano Platin lên bề mặt Zn2SnO4 bằng phương pháp nhỏ trực tiếp và chế tạo cảm biến
• 2.6. Quy trình chế tạo hạt nano Platin bằng phương pháp polyol
• 2.7. Quy trình biến tính hạt nano Platin lên bề mặt Zn2SnO4 và quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu biến tính
• 2.8. Kỹ thuật phân tích hình thái và vi cấu trúc
• 2.9. Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến
• 2.10. Phương pháp đo tĩnh
• 2.11. Sơ đồ đo điện của cảm biến
• 2.12. Hệ đo tính chất nhạy khí của cảm biến
• 2.13. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: HÌNH THÁI, VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU Zn2SnO4 TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT
• 3.1. Các hình thái, vi cấu trúc, tính chất của vật liệu Zn2SnO4
• 3.2. Các hình thái của vật liệu Zn2SnO4
• 3.3. Vi cấu trúc và tính chất của vật liệu Zn2SnO4
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ VOCs CỦA CẢM BIẾN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU Zn2SnO4 CÓ CẤU TRÚC HÌNH THÁI KHÁC NHAU
• 4.1. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí acetone
• 4.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí ethanol
• 4.3. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí methanol
• 4.4. Kết luận chương 3
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT VẬT LIỆU Zn2SnO4 BẰNG HẠT NANO Pt NHẰM CẢI THIỆN KHẢ NĂNG NHẠY KHÍ ACETONE CHO CẢM BIẾN
• 5.1. Hình thái, vi cấu trúc của hạt Platin
• 5.2. So sánh tính chất nhạy acetone của cảm biến bát diện rỗng bề mặt dạng hạt và cảm biến bát diện rỗng bề mặt dạng tấm
• 5.3. Hình thái, vi cấu trúc của vật liệu Zn2SnO4 trước và sau khi biến tính bề mặt bằng hạt Pt
• 5.4. Khảo sát tính chất nhạy khí
• 5.5. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về ô xít kim loại Zn2SnO4

Ô xít kim loại Zn2SnO4 là một vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể đặc biệt, thuộc loại ô xít đa nguyên. Vật liệu này được biết đến với tính chất điện tốt và khả năng nhạy khí cao, đặc biệt trong việc phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs). Cấu trúc tinh thể của Zn2SnO4 cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng cảm biến, nhờ vào khả năng hấp phụ và giải phóng khí. Nghiên cứu cho thấy rằng Zn2SnO4 có thể cải thiện độ nhạy của cảm biến khí, giúp phát hiện nồng độ thấp của các hợp chất hữu cơ trong hơi thở con người. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị y tế chẩn đoán bệnh dựa trên phân tích hơi thở.

1.1. Tính chất điện của vật liệu Zn2SnO4

Tính chất điện của Zn2SnO4 rất quan trọng trong việc xác định khả năng nhạy khí của nó. Vật liệu này có độ linh động điện tử cao, cho phép dòng điện chạy qua dễ dàng, từ đó tăng cường khả năng phát hiện khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tiếp xúc với các khí như acetone, ethanol và methanol, Zn2SnO4 có thể thay đổi điện trở, tạo ra tín hiệu rõ ràng cho cảm biến. Điều này chứng tỏ rằng Zn2SnO4 không chỉ là một vật liệu lý tưởng cho cảm biến khí mà còn có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác như cảm biến môi trường và y tế.

II. Phương pháp chế tạo vật liệu Zn2SnO4

Việc chế tạo vật liệu Zn2SnO4 có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp thủy nhiệt được ưa chuộng nhờ vào khả năng tạo ra các hình thái khác nhau của vật liệu. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng nhạy khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian và nồng độ hóa chất có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của Zn2SnO4. Hơn nữa, việc biến tính bề mặt bằng các hạt nano như Pt cũng đã được chứng minh là có thể cải thiện đáng kể khả năng nhạy khí của cảm biến.

2.1. Quy trình chế tạo Zn2SnO4

Quy trình chế tạo Zn2SnO4 thường bắt đầu bằng việc hòa tan các tiền chất trong dung môi, sau đó tiến hành phản ứng thủy nhiệt trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Sau khi kết thúc phản ứng, sản phẩm thu được sẽ được rửa sạch và sấy khô. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa quy trình này có thể dẫn đến việc tạo ra các hình thái khác nhau của Zn2SnO4, từ dạng hạt nano đến dạng khối lập phương. Điều này không chỉ giúp cải thiện tính chất điện mà còn tăng cường khả năng nhạy khí của cảm biến, mở ra nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y tế và môi trường.

III. Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên Zn2SnO4

Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên Zn2SnO4 cho thấy khả năng phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) với độ nhạy cao. Các thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá độ nhạy của cảm biến đối với các khí như acetone, ethanol và methanol. Kết quả cho thấy rằng cảm biến có thể phát hiện nồng độ khí ở mức ppb, điều này rất quan trọng trong việc chẩn đoán bệnh qua hơi thở. Đặc biệt, cảm biến dựa trên Zn2SnO4 đã cho thấy thời gian phản ứng nhanh và độ ổn định cao, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong y tế.

3.1. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến

Đặc trưng nhạy khí của cảm biến dựa trên Zn2SnO4 được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy rằng cảm biến có thể phát hiện acetone với độ nhạy cao, cho phép phát hiện nồng độ thấp trong hơi thở. Thời gian phản ứng và hồi phục của cảm biến cũng được ghi nhận là rất nhanh, điều này cho thấy khả năng ứng dụng trong các thiết bị y tế. Hơn nữa, tính chọn lọc của cảm biến đối với các khí khác nhau cũng được cải thiện nhờ vào việc biến tính bề mặt bằng hạt nano, giúp tăng cường khả năng phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.