Luận Văn Thạc Sĩ: Tính Chất Nhạy Hơi Methanol Của Vật Liệu ZnO Phân Nhánh Biến Tính Bởi Hạt Nano Pt

• Tác giả: Đỗ Đại Duy
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Vương
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Nhạy Hơi Methanol Của Vật Liệu ZnO Phân Nhánh Biến Tính Bề Mặt Bởi Các Hạt Nano Pt
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẢM BIẾN KHÍ
• 1.2. Vai trò của cảm biến khí
• 1.3. Ứng dụng của cảm biến khí
• 1.4. CẢM BIẾN KHÍ ĐỘ DẪN DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs
• 1.4.1. Cấu trúc cảm biến khí trở hóa
• 1.4.2. Các đặc trưng của cảm biến khí bán dẫn
• 1.4.3. Thời gian đáp ứng và hồi phục
• 1.4.4. Giới hạn đo khí
• 1.4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ đáp ứng khí
• 1.4.6. Ảnh hưởng của bức xạ tử ngoại (UV) đến độ đáp ứng khí
• 1.5. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG KHÍ BỀ MẶT CỦA KHÍ KHỬ
• 1.6. MÔ HÌNH DẪN CỦA CẢM BIẾN KHÍ DÂY NANO ĐỂ PHÁT HIỆN KHÍ KHỬ
• 1.7. VẬT LIỆU ZnO
• 1.7.1. Giới thiệu về ZnO
• 1.7.2. Ứng dụng của ZnO
• 1.7.3. Các phương pháp tổng hợp vật liệu ZnO
• 1.7.3.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.7.3.2. Phương pháp đốt cháy
• 1.7.4. Các dạng thù hình của vật liệu nano ZnO
• 1.7.4.1. Nano ZnO dạng hạt (ZnO Nanoparticles)
• 1.7.4.2. Nano ZnO dạng thanh (ZnO Nanorods)
• 1.7.4.3. Nano ZnO dạng dây (ZnO Nanowire)
• 1.7.4.4. Nano ZnO dạng sợi (ZnO nanofibers)
• 1.7.4.5. Nano ZnO dạng ống (ZnO nanotubes)
• 1.7.4.6. Nano ZnO phân nhánh (ZnO hierarchical)
• 1.8. TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO
• 1.8.1. Cảm biến dựa trên nền vật liệu nano ZnO là cảm biến kiểu độ dẫn (kiểu điện trở)
• 1.8.2. Cơ chế nhạy khí của bán dẫn ZnO
• 1.9. CẢI THIỆN ĐỘ HỒI ĐÁP CỦA BÁN DẪN ZnO
• 1.9.1. Các phương pháp cải thiện độ hồi đáp của bán dẫn ZnO
• 1.9.2. Cải thiện độ hồi đáp và độ chọn lọc methanol bằng phương pháp biến tính bề mặt của cấu trúc nano ZnO phân nhánh bằng các hạt nano kim loại Pt
• 1.10. HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs)
• 1.10.1. Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs)
• 1.10.2. Một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.1. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.1.1. Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu
• 2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu
• 2.1.3. Chế tạo sợi nano ZnO (ZnO-NFs)
• 2.1.4. Chế tạo cấu trúc nano ZnO phân nhánh (ZnO-H)
• 2.1.5. Biến tính bề mặt ZnO phân nhánh bởi các hạt nano Pt
• 2.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.2.1. Đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.2. Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.3. Chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.2.4. Phổ huỳnh quang PL
• 2.2.5. Phổ hấp thụ UV-Vis
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TÍNH CHẤT VÀ HÌNH THÁI CỦA VẬT LIỆU
• 3.1.1. Kết quả đo ảnh SEM
• 3.1.2. Kết quả đo tính chất điện của các cảm biến
• 3.2. TÍNH CHẤT NHẠY HƠI METHANOL
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên tính chất nhạy hơi methanol
• 3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ Pt lên tính chất hồi đáp của cảm biến
• 3.3. ĐỘ CHỌN LỌC CỦA CẢM BIẾN
• 3.4. THỜI GIAN HỒI ĐÁP VÀ PHỤC HỒI CỦA CÁC CẢM BIẾN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung về cảm biến khí

Cảm biến khí là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ y tế đến công nghiệp. Chúng được sử dụng để phát hiện và đo lường nồng độ các loại khí, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như methanol. Cảm biến khí thường bao gồm hai bộ phận chính: bộ phận cảm nhận (receptor) và bộ phận chuyển đổi tín hiệu (transducer). Bộ phận cảm nhận tương tác với khí, trong khi bộ phận chuyển đổi biến đổi các thay đổi tính chất thành tín hiệu điện. Vật liệu ZnO và hạt nano Pt được nghiên cứu để cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến.

1.1. Vai trò của cảm biến khí

Cảm biến khí đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát môi trường, an toàn lao động, và y tế. Chúng giúp phát hiện các khí độc hại như methanol, một chất nguy hiểm với sức khỏe con người. Methanol có thể gây mù lòa hoặc tử vong nếu tiếp xúc ở nồng độ cao. Cảm biến khí dựa trên vật liệu ZnO và hạt nano Pt được kỳ vọng sẽ cải thiện khả năng phát hiện methanol một cách chính xác và nhanh chóng.

1.2. Ứng dụng của cảm biến khí

Cảm biến khí được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như quan trắc môi trường, an toàn lao động, và công nghiệp thực phẩm. Cảm biến methanol đặc biệt quan trọng trong việc phát hiện nồng độ methanol trong không khí, giúp ngăn ngừa các rủi ro về sức khỏe. Vật liệu ZnO và hạt nano Pt được nghiên cứu để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao và độ bền tốt.

II. Vật liệu ZnO và hạt nano Pt trong cảm biến khí

Vật liệu ZnO là một trong những vật liệu bán dẫn được sử dụng phổ biến trong cảm biến khí nhờ tính chất điện tử và quang học đặc biệt. ZnO có cấu trúc phân nhánh giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng tương tác với khí. Hạt nano Pt được sử dụng để biến tính bề mặt ZnO, tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến đối với methanol.

2.1. Giới thiệu về ZnO

ZnO là một vật liệu bán dẫn có nhiều ứng dụng trong cảm biến khí nhờ tính chất điện tử và quang học. Cấu trúc phân nhánh của ZnO giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng tương tác với khí. ZnO cũng có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, phù hợp với các ứng dụng trong môi trường công nghiệp.

2.2. Biến tính bề mặt ZnO bằng hạt nano Pt

Hạt nano Pt được sử dụng để biến tính bề mặt ZnO, tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Pt có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học trên bề mặt ZnO, giúp cải thiện hiệu suất phát hiện methanol. Nghiên cứu cho thấy, ZnO biến tính bởi hạt nano Pt có độ nhạy cao hơn so với ZnO nguyên chất.

III. Phương pháp chế tạo và khảo sát mẫu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thủy nhiệt và phương pháp quay điện để chế tạo vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh. Hạt nano Pt được lắng đọng lên bề mặt ZnO bằng phương pháp phún xạ. Các mẫu được khảo sát bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ huỳnh quang (PL).

3.1. Phương pháp chế tạo mẫu

Phương pháp thủy nhiệt và phương pháp quay điện được sử dụng để chế tạo vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh. Hạt nano Pt được lắng đọng lên bề mặt ZnO bằng phương pháp phún xạ. Quy trình chế tạo bao gồm các bước chuẩn bị hóa chất, xử lý nhiệt, và lắng đọng hạt nano Pt.

3.2. Phương pháp khảo sát mẫu

Các mẫu ZnO và ZnO biến tính bởi hạt nano Pt được khảo sát bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ huỳnh quang (PL). Các phương pháp này giúp xác định cấu trúc, hình thái, và tính chất quang học của vật liệu.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu ZnO biến tính bởi hạt nano Pt có độ nhạy cao hơn so với ZnO nguyên chất. Nhiệt độ làm việc và nồng độ Pt ảnh hưởng đáng kể đến tính chất nhạy hơi methanol của cảm biến. ZnO biến tính bởi hạt nano Pt cũng có thời gian hồi đáp và hồi phục nhanh hơn.

4.1. Tính chất nhạy hơi methanol

Kết quả cho thấy, vật liệu ZnO biến tính bởi hạt nano Pt có độ nhạy cao hơn so với ZnO nguyên chất. Nhiệt độ làm việc tối ưu cho cảm biến là khoảng 230°C. Nồng độ Pt cũng ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến, với nồng độ Pt 2,5% cho kết quả tốt nhất.

4.2. Độ chọn lọc và thời gian hồi đáp

ZnO biến tính bởi hạt nano Pt có độ chọn lọc cao đối với methanol so với các khí khác như acetone và ethanol. Thời gian hồi đáp và hồi phục của cảm biến cũng được cải thiện đáng kể, với thời gian hồi đáp khoảng 40 giây và thời gian hồi phục khoảng 75 giây.