I. Giới thiệu về sợi nano và phương pháp phun tĩnh điện
Sợi nano (NFs) đã thu hút sự chú ý lớn trong các ứng dụng như quang xúc tác, thiết bị điện tử, và cảm biến khí nhờ tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao. Phun tĩnh điện là phương pháp đơn giản, hiệu quả về chi phí và linh hoạt để sản xuất sợi nano. Phương pháp này tạo ra các sợi nano từ dung dịch tiền chất dưới tác dụng của điện trường cao. Sợi nano oxit kim loại bán dẫn (SMO) đặc biệt hứa hẹn trong lĩnh vực cảm biến khí nhờ chi phí thấp, dễ chế tạo và khả năng tương thích cao với quy trình vi điện tử.
1.1. Ứng dụng của sợi nano trong cảm biến khí
Sợi nano SMO được sử dụng rộng rãi trong cảm biến khí nhờ cấu trúc hạt nano với nhiều ranh giới hạt, tạo ra tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn và khả năng khuếch tán khí tốt. α-Fe2O3 và ZnFe2O4 (ZFO) là hai vật liệu tiềm năng trong cảm biến khí nhờ chi phí thấp, ổn định nhiệt và khả năng phát hiện nhiều loại khí như H2S, NO2, và CO.
II. Chế tạo sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 lai graphene
Quá trình chế tạo sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 bắt đầu từ việc chuẩn bị dung dịch tiền chất chứa các muối sắt và kẽm. Dung dịch này được phun tĩnh điện để tạo ra sợi nano. Sau đó, sợi nano được nung ở nhiệt độ cao để chuyển đổi thành cấu trúc tinh thể. Graphene và oxit graphene khử (rGO) được thêm vào để cải thiện tính chất điện và khả năng cảm biến. Quá trình này bao gồm việc trộn rGO vào dung dịch tiền chất trước khi phun tĩnh điện.
2.1. Ảnh hưởng của rGO đến cấu trúc và tính chất sợi nano
Việc thêm rGO vào sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 làm thay đổi cấu trúc bề mặt và tính chất điện của vật liệu. rGO tăng cường độ dẫn điện và tạo ra các vị trí hoạt động trên bề mặt, giúp cải thiện khả năng phản ứng với khí. Các nghiên cứu cho thấy sợi nano lai rGO có độ nhạy cao hơn và thời gian đáp ứng nhanh hơn so với sợi nano không chứa rGO.
III. Ứng dụng trong cảm biến khí H2S
Sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 lai rGO được ứng dụng trong cảm biến khí H2S. Các cảm biến này được đánh giá thông qua các thông số như độ nhạy, thời gian đáp ứng và độ ổn định. Kết quả cho thấy sợi nano lai rGO có độ nhạy cao hơn đáng kể so với sợi nano không chứa rGO. Đặc biệt, sợi nano ZnFe2O4 lai rGO cho thấy khả năng phát hiện H2S ở nồng độ thấp với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh.
3.1. Cơ chế cảm biến khí H2S
Cơ chế cảm biến khí H2S dựa trên sự tương tác giữa khí và bề mặt sợi nano. Khi H2S tiếp xúc với bề mặt Fe2O3 hoặc ZnFe2O4, nó phản ứng với oxy hấp phụ trên bề mặt, làm thay đổi điện trở của vật liệu. rGO đóng vai trò như chất dẫn điện, tăng cường quá trình truyền điện tử và cải thiện độ nhạy của cảm biến.
IV. Kết luận và khuyến nghị
Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của việc sử dụng sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 lai rGO trong cảm biến khí H2S. Các cảm biến này không chỉ có độ nhạy cao mà còn có thời gian đáp ứng nhanh và độ ổn định tốt. Việc kết hợp rGO vào sợi nano đã mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực cảm biến khí, đặc biệt là ứng dụng trong môi trường công nghiệp và y tế.
4.1. Hướng phát triển trong tương lai
Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hàm lượng rGO và điều kiện chế tạo để cải thiện hơn nữa hiệu suất của cảm biến. Ngoài ra, việc ứng dụng các vật liệu lai này trong các loại cảm biến khí khác cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.
