Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 làm cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

2. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

3. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

4. CHƯƠNG 1: TỔNG HỢP CNTs BẰNG PHƯƠNG PHÁP CVD

1.1. Hóa chất và thiết bị. Phủ màng kim loại xúc tác

1.2. Tổng hợp CNTs

1.3. Chế tạo vật liệu nano WO3 bằng phương pháp nhiệt thủy phân

1.4. Hóa chất và thiết bị. Quy trình chế tạo vật liệu WO3

1.5. Chức hóa CNTs bằng phương pháp Hummers

1.6. Hóa chất và thiết bị. Quy trình chế tạo vật liệu CNTs chức hóa

1.7. Chế tạo cảm biến

1.7.1. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs/WO3

1.7.2. Cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/WO3

1.8. Phân tích hình thái và cấu trúc

1.9. Hệ thí nghiệm khảo sát tính chất nhạy khí

1.10. Các thông số đặc trưng của cảm biến khí

1.10.1. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục

1.10.2. Tính chọn lọc

1.10.3. Tính ổn định

1.10.4. Giới hạn phát hiện

1.11. Kết luận chương 1

2. ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP CNTs VÀ WO3

2.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu

2.1.1. Hình thái và cấu trúc của CNTs

2.1.2. Hình thái và cấu trúc của vật liệu WO3

2.1.3. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs/WO3

2.2. Tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3

2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên độ đáp ứng của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3

2.2.2. 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

2.2.3. Độ chọn lọc của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3

2.2.4. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường lên độ đáp ứng của cảm biến dựa trên vật liệu tổ hợp CNTs/WO3

2.2.5. Cơ chế nhạy khí của tổ hợp vật liệu CNTs/WO3 ở nhiệt độ phòng

2.3. Kết luận chương 2

3. ĐẶC TÍNH NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN DỰA TRÊN VẬT LIỆU TỔ HỢP CNTs CHỨC HÓA VÀ WO3

3.1. Hình thái và cấu trúc của vật liệu

3.1.1. Hình thái và cấu trúc của CNTs chức hóa

3.1.2. Hình thái và cấu trúc của vật liệu tổ hợp CNTs chức hóa/WO3

3.2. Tính chất nhạy khí tại nhiệt độ phòng của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa và WO3

3.2.1. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên CNTs chức hóa

3.2.2. Đặc tính nhạy khí NH3 của cảm biến dựa trên tổ hợp vật liệu CNTs chức hóa/WO3

3.3. Kết luận chương 3

4. KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ KHÁC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu tổ hợp nano CNTs WO3

Vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 là trọng tâm của nghiên cứu này. CNTs (ống nano carbon) và WO3 (tungsten trioxide) được kết hợp để tạo ra một vật liệu có tính chất điện và quang học đặc biệt. CNTs nổi bật với độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn, trong khi WO3 có khả năng nhạy khí tốt. Sự kết hợp này nhằm tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến khí, đặc biệt là với khí NH3 ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo và tối ưu hóa tỷ lệ giữa hai thành phần này để đạt được hiệu suất cao nhất.

1.1. Cấu trúc và tính chất của CNTs

CNTs có cấu trúc một chiều với các ống nano carbon xếp chồng lên nhau. Chúng có độ dẫn điện cao nhờ cấu trúc liên kết sp2. Diện tích bề mặt lớn của CNTs cho phép chúng tiếp xúc hiệu quả với các phân tử khí, làm tăng độ nhạy của cảm biến khí. Tuy nhiên, CNTs đơn thuần có độ đáp ứng thấp với các khí thử, đòi hỏi phải biến tính hoặc kết hợp với các vật liệu khác như WO3.

1.2. Cấu trúc và tính chất của WO3

WO3 là một oxit kim loại bán dẫn có cấu trúc tinh thể phức tạp. Nó có khả năng nhạy khí cao, đặc biệt là với các khí như NH3. Tuy nhiên, WO3 thường yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao, làm tăng năng lượng tiêu thụ và giảm tính ổn định. Việc kết hợp WO3 với CNTs nhằm giảm nhiệt độ hoạt động và tăng độ nhạy của cảm biến khí.

II. Cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng

Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển cảm biến khí NH3 hoạt động ở nhiệt độ phòng. NH3 là một khí độc hại, thường được thải ra từ các ngành công nghiệp và nông nghiệp. Cảm biến khí dựa trên vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 được thiết kế để phát hiện NH3 với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm và tỷ lệ thành phần vật liệu lên hiệu suất của cảm biến.

2.1. Cơ chế nhạy khí của CNTs WO3

Cơ chế nhạy khí của CNTs-WO3 dựa trên sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí NH3. Khi NH3 hấp phụ lên bề mặt vật liệu, nó tương tác với các electron tự do trong CNTs và WO3, làm thay đổi độ dẫn điện. Sự kết hợp giữa CNTs và WO3 tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, làm tăng độ nhạy và giảm thời gian đáp ứng của cảm biến khí.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm

Nghiên cứu chỉ ra rằng cảm biến khí dựa trên CNTs-WO3 có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Tuy nhiên, độ ẩm môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Các thí nghiệm được tiến hành để tối ưu hóa tỷ lệ thành phần và điều kiện hoạt động, đảm bảo độ ổn định và độ nhạy cao trong các môi trường khác nhau.

III. Chế tạo vật liệu và ứng dụng thực tiễn

Quá trình chế tạo vật liệu bao gồm các phương pháp như lắng đọng hóa học từ pha hơi (CVD) và thủy nhiệt phân. CNTs được tổng hợp bằng phương pháp CVD, trong khi WO3 được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt phân. Sau đó, hai vật liệu được kết hợp để tạo ra vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3. Nghiên cứu cũng đề xuất các ứng dụng thực tiễn của cảm biến khí NH3 trong các lĩnh vực như giám sát môi trường, công nghiệp và nông nghiệp.

3.1. Phương pháp chế tạo CNTs

CNTs được tổng hợp bằng phương pháp CVD, sử dụng các chất xúc tác kim loại như Fe, Co hoặc Ni. Quá trình này cho phép kiểm soát cấu trúc và kích thước của CNTs, đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng cao của vật liệu.

3.2. Phương pháp chế tạo WO3

WO3 được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt phân, tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và độ tinh khiết cao. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định và khả năng nhạy khí của WO3.

Luận án tiến sĩ vật lý kỹ thuật: Chế tạo vật liệu tổ hợp nano CNTs-WO3 ứng dụng làm cảm biến khí NH3