I. Tổng quan về cảm biến khí
Cảm biến khí là thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ các tác nhân kích thích thành tín hiệu có thể đo đạc được. Cảm biến khí có hai bộ phận chính: bộ phận cảm nhận và bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Bộ phận cảm nhận là vật liệu nhạy khí, có khả năng tương tác với khí phân tích, trong khi bộ phận chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi các thay đổi tính chất thành tín hiệu điện. Các cảm biến khí có thể phát hiện và đo đạc nồng độ của một hoặc nhiều loại khí nhất định. Đặc điểm của cảm biến khí bao gồm độ nhạy, độ ổn định và độ chọn lọc. Đặc biệt, độ nhạy khí là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở của cảm biến và sự thay đổi nồng độ khí đo. Độ chọn lọc là khả năng cảm biến chỉ đáp ứng với một loại khí nhất định, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các cảm biến khí hiệu quả.
1.1. Đặc trưng cơ bản của cảm biến khí
Các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí bao gồm độ đáp ứng khí, độ nhạy khí, độ chọn lọc và độ ổn định. Độ đáp ứng khí là độ thay đổi tín hiệu tương ứng với thay đổi nồng độ khí đo. Độ nhạy khí là tỷ số giữa sự thay đổi điện trở của cảm biến và sự thay đổi nồng độ khí. Độ chọn lọc là khả năng cảm biến chỉ đáp ứng với một loại khí nhất định. Độ ổn định là khả năng làm việc của cảm biến trong một khoảng thời gian nhất định mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Những thông số này rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của cảm biến khí.
II. Vật liệu ZnO và CNTs
Vật liệu ZnO và ống nano carbon (CNTs) là hai loại vật liệu quan trọng trong nghiên cứu cảm biến khí. ZnO có cấu trúc tinh thể đặc biệt và các tính chất lý hóa nổi bật, như độ dẫn điện và khả năng nhạy khí. CNTs, với cấu trúc rỗng và diện tích bề mặt lớn, cũng có nhiều đặc tính độc đáo như dẫn điện tốt và bền. Việc kết hợp hai loại vật liệu này tạo ra vật liệu lai hóa ZnO/CNTs, giúp cải thiện đáng kể tính nhạy và hiệu suất của cảm biến khí. Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu lai hóa này có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và có độ nhạy cao hơn so với các cảm biến chỉ dựa vào một trong hai loại vật liệu.
2.1. Tính chất của vật liệu ZnO
Vật liệu ZnO có cấu trúc tinh thể wurtzite, với các tính chất lý hóa như độ dẫn điện cao và khả năng nhạy khí tốt. Cơ chế nhạy khí của ZnO chủ yếu dựa vào sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với các khí phân tích. ZnO thường được sử dụng trong các cảm biến khí nhờ vào khả năng phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như toluene và acetone. Tuy nhiên, các cảm biến dựa trên ZnO thường hoạt động ở nhiệt độ cao, điều này có thể gây ra một số hạn chế trong ứng dụng thực tế.
2.2. Tính chất của vật liệu CNTs
CNTs có cấu trúc hình ống với diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt. Chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp và có thời gian hồi đáp nhanh. Tuy nhiên, độ nhạy của cảm biến dựa trên CNTs vẫn còn hạn chế. Việc chức năng hóa CNTs có thể cải thiện độ nhạy và tính chọn lọc của cảm biến. Sự kết hợp giữa CNTs và ZnO tạo ra vật liệu lai hóa có khả năng phát hiện khí hiệu quả hơn, nhờ vào sự tương tác giữa hai loại vật liệu này.
III. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất nhạy hơi VOCs
Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo cảm biến khí dựa trên vật liệu lai hóa ZnO/CNTs và khảo sát tính chất nhạy hơi VOCs. Phương pháp chế tạo bao gồm việc sử dụng dung dịch để tổng hợp vật liệu nano ZnO/CNTs. Các phương pháp khảo sát như nhiễu xạ tia X (XRD), chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDX) được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng vật liệu ZnO/CNTs có độ nhạy cao đối với các hợp chất VOCs, đặc biệt là toluene, với thời gian hồi đáp nhanh và độ ổn định tốt.
3.1. Phương pháp chế tạo mẫu
Phương pháp chế tạo mẫu vật liệu nano ZnO/CNTs được thực hiện thông qua quy trình hóa học đơn giản. Các thành phần chính bao gồm Zn(NO3)2 và CNTs, được hòa trộn trong môi trường dung môi nhiệt. Quá trình này giúp tạo ra các hạt nano ZnO bám trên bề mặt CNTs, tạo ra cấu trúc lai hóa với diện tích bề mặt lớn. Việc tối ưu hóa các thông số như nhiệt độ, thời gian và tỉ lệ giữa các thành phần là rất quan trọng để đạt được tính chất nhạy khí tốt nhất.
3.2. Khảo sát tính chất nhạy hơi VOCs
Tính chất nhạy hơi VOCs của vật liệu ZnO/CNTs được khảo sát thông qua các phép đo điện trở trong môi trường khí chứa các hợp chất VOCs. Kết quả cho thấy rằng cảm biến có độ nhạy cao đối với toluene, với khả năng phát hiện nồng độ thấp. Thời gian hồi đáp của cảm biến cũng được cải thiện đáng kể so với các cảm biến chỉ dựa vào ZnO hoặc CNTs đơn lẻ. Điều này cho thấy rằng việc lai hóa cấu trúc nano giữa ZnO và CNTs là một hướng đi tiềm năng trong nghiên cứu và phát triển cảm biến khí hiệu quả.
