Nghiên cứu chế tạo sợi nano Fe2O3 và ZnFe2O4 lai graphene khử từ oxit graphene (rGO) bằng phương pháp phun tĩnh điện và ứng dụng trong cảm biến khí

• Tác giả: Nguyen Van Hoang
• Người hướng dẫn: Prof. Nguyen Van Hieu
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Materials Science
• Đề tài: Electrospinning of α-Fe2O3 and ZnFe2O4 Nanofibers Loaded with Reduced Graphene Oxide (RGO) for H2S Gas Sensing Application
• Loại tài liệu: Doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hanoi

• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• ACKNOWLEDGMENTS
• CONTENTS
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW ON SMO NFs AND THEIR LOADING WITH RGO FOR GAS-SENSING APPLICATION
• 1.1. Electrospinning for NFs fabrication. Background on electrospinning. Processing – structure relationships of electrospun NFs
• 1.2. NFs for gas-sensing application
• 1.3. Electrospun SMO NFs for gas-sensing application
• 1.4. Electrospun SMO NFs for H2S gas-sensing application
• 1.5. NFs loading with RGO for gas-sensing application
• 1.5.1. Overview on RGO and its application in gas-sensing field
• 1.5.2. Overview on RGO
• 1.5.3. RGO in gas-sensing application
• 1.5.4. RGO-loaded SMO NFs in gas-sensing applications
• 1.5.5. RGO-loaded SMO gas sensor
• 1.5.6. RGO-loaded SMO NFs gas sensor
• 1.6. Gas-sensing mechanism
• 1.6.1. Gas-sensing mechanism of SMO NFs
• 1.6.2. Gas-sensing mechanism of RGO-loaded SMO NFs
• 1.6.3. H2S gas-sensing mechanism of SMO NFs and their loading with RGO
• 1.7. Conclusion of chapter 1
• 2. CHƯƠNG 2: α-Fe2O3 NFs PREPARATION
• 2.1. ZFO NFs preparation
• 2.2. Preparation of α-Fe2O3, ZFO NFs loading with RGO
• 2.3. SEM and EDX
• 2.4. TEM and SAED
• 2.5. Gas-sensing measurement
• 2.6. Conclusion of chapter 2
• 3. CHƯƠNG 3: α-Fe2O3 NFs AND THEIR LOADING WITH RGO FOR H2S GAS-SENSING APPLICATION
• 3.1. H2S gas sensors based on α-Fe2O3 NFs
• 3.2. Morphologies and structures of α-Fe2O3 NFs
• 3.3. H2S gas-sensing properties of α-Fe2O3 NFs sensors
• 3.4. Effects of operating temperature
• 3.5. Effects of solution contents
• 3.6. Effects of annealing temperature and electrospinning time
• 3.7. Selectivity and stability
• 3.8. H2S gas sensors based on α-Fe2O3 NFs loaded with RGO
• 3.9. Morphologies and structures of α-Fe2O3 NFs loaded with RGO
• 3.10. H2S gas-sensing properties of RGO-loaded α-Fe2O3 NFs sensors
• 3.11. Effects of RGO contents. Effects of working temperature
• 3.12. Effects of annealing temperatures
• 3.13. Selectivity and stability
• 3.14. Conclusion of chapter 3
• 4. CHƯƠNG 4: ZFO NFs AND THEIR LOADING WITH RGO FOR H2S GAS-SENSING APPLICATION
• 4.1. H2S gas sensors based on ZFO NFs
• 4.2. Gas-sensing properties
• 4.3. Effects of the operating temperature
• 4.4. Effects of the annealing temperature
• 4.5. Effects of annealing time and heating rate
• 4.6. Selectivity and stability
• 4.7. H2S gas sensors based on ZFO NFs loaded with RGO
• 4.8. Gas-sensing properties
• 4.9. Effects of RGO contents. Effects of operating temperature
• 4.10. Effects of annealing temperatures
• 4.11. Selectivity, stability and RH effects
• 4.12. Conclusion of chapter 4
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF PUBLICATIONS

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.