Luận án tiến sĩ: Chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 ứng dụng làm cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng

• Tác giả: Dương Vũ Trường
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs/WO3 ứng dụng làm cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
• 1.2. Danh mục các bảng biểu
• 1.3. Vật liệu CNTs
• 1.3.1. Cấu trúc của CNTs
• 1.3.2. Tính chất điện của CNTs
• 1.3.3. Cơ chế hình thành CNTs
• 1.3.4. Một số phương pháp tổng hợp CNTs
• 1.3.5. Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên CNTs
• 1.3.6. Biến tính CNTs
• 1.4. Vật liệu WO3
• 1.4.1. Cấu trúc tinh thể của WO3
• 1.4.2. Tính chất điện của WO3
• 1.4.3. Tổng hợp vật liệu nano WO3
• 1.4.4. Cảm biến khí dựa trên vật liệu WO3
• 1.4.5. Cảm biến khí dựa trên vật liệu SMO hoạt động ở nhiệt độ phòng
• 1.4.6. Cảm biến khí NH3 hoạt động ở nhiệt độ phòng
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
• 2.1. Tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD
• 2.2. Hóa chất và thiết bị. Phủ màng kim loại xúc tác
• 2.3. Tổng hợp CNTs
• 2.4. Chế tạo vật liệu nano WO3 bằng phương pháp nhiệt thủy phân
• 2.5. Hóa chất và thiết bị. Quy trình chế tạo vật liệu WO3
• 2.6. Chức hóa CNTs bằng phương pháp Hummers
• 2.7. Hóa chất và thiết bị. Quy trình chế tạo vật liệu CNTs chức hóa
• 2.8. Chế tạo cảm biến
• 2.9. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs/WO3
• 2.10. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/WO3
• 2.11. Phân tích hình thái và cấu trúc
• 2.12. Hệ thí nghiệm khảo sát tính chất nhạy khí
• 2.13. Các thông số đặc trưng của cảm biến khí
• 2.14. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục
• 2.15. Tính chọn lọc
• 2.16. Tính ổn định
• 2.17. Giới hạn phát hiện
• 2.18. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP CNTs VÀ WO3
• 3.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu
• 3.2. Hình thái và cấu trúc của CNTs
• 3.3. Hình thái và cấu trúc của vật liệu WO3
• 3.4. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.5. Tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên độ đáp ứng của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.7. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng các thành phần lên tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.8. Độ chọn lọc của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.9. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường lên độ đáp ứng của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3
• 3.10. Cơ chế nhạy khí của tổ hợp vật liệu CNTs/WO3 ở nhiệt độ phòng
• 3.11. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP CNTs CHỨC HÓA VÀ WO3
• 4.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu
• 4.2. Hình thái và cấu trúc của CNTs chức hóa
• 4.3. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs chức hóa/WO3
• 4.4. Tính chất nhạy khí tại nhiệt độ phòng của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa và WO3
• 4.5. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên CNTs chức hóa
• 4.6. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/WO3
• 4.7. Kết luận chương 4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ KHÁC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs WO3

Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 để ứng dụng làm cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng. Vật liệu tổ hợp này kết hợp ống nano carbon (CNTs) và tungsten trioxide (WO3), hai thành phần có tính chất điện và hóa học phù hợp cho việc phát hiện khí độc. Quá trình chế tạo bao gồm tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD và chế tạo WO3 bằng phương pháp nhiệt thủy phân. Các phương pháp này đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả của vật liệu tổ hợp.

1.1. Tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD

Phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) được sử dụng để tổng hợp CNTs. Quá trình này bao gồm việc phủ màng kim loại xúc tác lên chất nền, sau đó đưa vào môi trường khí carbon để hình thành CNTs. Phương pháp này cho phép kiểm soát cấu trúc và kích thước của CNTs, đảm bảo tính chất điện và cơ học phù hợp cho ứng dụng cảm biến.

1.2. Chế tạo WO3 bằng phương pháp nhiệt thủy phân

WO3 được chế tạo bằng phương pháp nhiệt thủy phân, sử dụng các hóa chất và thiết bị chuyên dụng. Quy trình này bao gồm việc hòa tan muối tungsten trong dung dịch, sau đó thủy phân và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu nano WO3. Phương pháp này đảm bảo tính đồng nhất và độ tinh khiết của vật liệu, yếu tố quan trọng cho hiệu suất cảm biến.

II. Ứng dụng công nghệ nano trong cảm biến khí NH3

Vật liệu tổ hợp CNTs-WO3 được ứng dụng trong cảm biến khí NH3 hoạt động ở nhiệt độ phòng. Cảm biến này có khả năng phát hiện khí NH3 với độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh và tính ổn định tốt. Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của cảm biến, đặc biệt là khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp.

2.1. Cơ chế nhạy khí của cảm biến

Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên sự thay đổi điện trở khi khí NH3 tương tác với bề mặt vật liệu tổ hợp. CNTs đóng vai trò dẫn điện, trong khi WO3 tạo ra các vị trí hấp phụ khí. Sự kết hợp này giúp tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến.

2.2. Tính chất nhạy khí ở nhiệt độ phòng

Cảm biến CNTs-WO3 có khả năng phát hiện khí NH3 ở nhiệt độ phòng với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng thực tế, đặc biệt trong môi trường công nghiệp và y tế, nơi cần phát hiện nhanh và chính xác khí độc.

III. Phân tích và đánh giá vật liệu tổ hợp

Phân tích hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs-WO3 được thực hiện bằng các phương pháp hiện đại như SEM, TEM, và XRD. Các kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc nano đồng nhất, với sự phân bố đều của CNTs và WO3. Điều này đảm bảo tính chất điện và hóa học ổn định, yếu tố quan trọng cho hiệu suất cảm biến.

3.1. Phân tích hình thái bằng SEM và TEM

Hình ảnh SEM và TEM cho thấy cấu trúc nano của CNTs và WO3, với kích thước hạt đồng đều và sự phân bố đều trên bề mặt. Điều này giúp tăng cường diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ khí của vật liệu.

3.2. Phân tích cấu trúc bằng XRD

Phân tích XRD xác nhận cấu trúc tinh thể của WO3 và sự hiện diện của CNTs trong vật liệu tổ hợp. Các đỉnh nhiễu xạ rõ ràng cho thấy tính chất tinh thể tốt, yếu tố quan trọng cho tính chất điện và hóa học của vật liệu.

IV. Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao. Vật liệu tổ hợp CNTs-WO3 có tiềm năng lớn trong việc phát hiện khí độc NH3 ở nhiệt độ phòng, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường. Công nghệ nano được áp dụng trong nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các cảm biến môi trường thông minh và hiệu quả.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến CNTs-WO3 có thể được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp để giám sát nồng độ khí NH3, đảm bảo an toàn cho công nhân và môi trường. Độ nhạy cao và khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng làm cho nó trở thành giải pháp hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

4.2. Ứng dụng trong y tế

Trong lĩnh vực y tế, cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện khí NH3 trong các phòng thí nghiệm hoặc bệnh viện, giúp ngăn ngừa các nguy cơ sức khỏe liên quan đến khí độc. Tính chọn lọc và độ nhạy cao của cảm biến đảm bảo kết quả chính xác và đáng tin cậy.