Nghiên cứu tính chất nhạy hơi của vật liệu lai sợi nano SnO2 và tấm nano MoS2 trong luận văn thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. Tổng quan về vật liệu ô-xit kim loại bán dẫn SnO2

1.2. Cấu trúc tinh thể SnO2

1.3. Tính chất điện của vật liệu SnO2

1.4. Vật liệu SnO2 ứng dụng trong cảm biến khí

1.5. Tổng quan về vật liệu MoS2

1.6. Cấu trúc tinh thể MoS2

1.7. Tính chất điện của vật liệu MoS2

1.8. Vật liệu MoS2 ứng dụng trong cảm biến khí

1.9. Các phương pháp cơ bản chế tạo vật liệu nano

1.9.1. Phương pháp phun tĩnh điện

1.9.2. Nguyên lý cơ bản của phương pháp phun tĩnh điện

1.9.3. Các thông số ảnh hưởng đến hình thái sợi nano chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện

1.9.3.1. Khoảng cách giữa đầu kim và đế

1.9.3.2. Nồng độ polymer của dung dịch

1.10. Cảm biến khí ô-xit kim loại bán dẫn

1.10.1. Sơ lược về cảm biến khí

1.10.2. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí

1.10.3. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục

1.10.4. Giới hạn đo khí

1.10.5. Cơ chế nhạy khí của ô-xit kim loại bán dẫn

1.10.5.1. Ô-xit bán dẫn loại n

1.10.5.2. Ô-xit bán dẫn loại p

1.10.5.3. Hiện tượng ô-xi hấp phụ trên bề mặt ô-xit kim loại

1.10.6. Cơ chế nhạy khí của sợi nano ô-xit kim loại bán dẫn

1.11. Giới hạn an toàn đối với một số loại khí độc và khí dễ cháy nổ

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Chế tạo sợi nano SnO2 bằng phương pháp phun tĩnh điện

2.1.1. Các hóa chất và thiết bị

2.1.2. Quy trình chế tạo sợi nano SnO2

2.2. Chế tạo vật liệu lai hóa sợi nano SnO2 với tấm nano MoS2

2.3. Chế tạo cảm biến

2.4. Các phương pháp phân tích vật liệu

2.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.4.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.4.4. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

2.4.5. Phương pháp phân tích phổ tán xạ Raman

2.5. Khảo sát tính chất nhạy khí

2.5.1. Hệ trộn khí

2.5.2. Hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu sợi nano SnO2

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ

3.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

3.2. Hình thái và vi cấu trúc của vật liệu sợi nano SnO2

3.3. Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên cơ sở vật liệu sợi nano SnO2

3.4. Hình thái, vi cấu trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu lai hóa sợi nano SnO2 với tấm nano MoS2 (SnO2/MoS2)

3.4.1. Hình thái và vi cấu trúc của vật liệu tấm nano MoS2

3.4.2. Hình thái và vi cấu trúc của vật liệu SnO2/MoS2

3.5. Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến dựa trên cơ sở vật liệu lai SnO2/MoS2

3.5.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch MoS2

3.5.2. Đặc trưng hồi đáp và độ đáp ứng của cảm biến

3.5.3. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến

3.5.4. Độ lặp lại và độ chọn lọc của cảm biến

3.5.5. Giới hạn đo của cảm biến

3.6. Cơ chế nhạy khí của cảm biến dựa trên cơ sở vật liệu lai SnO2/MoS2

3.7. So sánh tính chất nhạy khí của các cảm biến dựa trên cơ sở vật liệu sợi nano SnO2 và SnO2/MoS2

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính chất nhạy hơi của vật liệu lai

Nghiên cứu tập trung vào tính chất nhạy hơi của vật liệu lai gồm sợi nano SnO2 và tấm nano MoS2. Vật liệu này được chế tạo nhằm cải thiện độ nhạy và hiệu suất của cảm biến khí. Sợi nano SnO2 có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng khả năng hấp phụ khí, trong khi tấm nano MoS2 mang lại tính chất điện tử độc đáo, hỗ trợ quá trình truyền điện tử. Kết hợp hai vật liệu này tạo ra vật liệu lai với tính chất nhạy hơi vượt trội, đặc biệt với các khí độc như NO2, SO2, và CO.

1.1. Cơ chế nhạy hơi

Cơ chế nhạy hơi của vật liệu lai dựa trên sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí. Sợi nano SnO2 tạo ra các vùng nghèo điện tử trên bề mặt khi hấp phụ khí oxy, trong khi tấm nano MoS2 tăng cường quá trình truyền điện tử. Khi khí mục tiêu (như NO2) tương tác với bề mặt, điện trở của vật liệu thay đổi, tạo ra tín hiệu điện có thể đo được. Cơ chế này được giải thích chi tiết qua các phép đo phân tích tính chất điện và phổ tán xạ Raman.

1.2. Ứng dụng trong công nghệ

Vật liệu lai này có tiềm năng lớn trong công nghệ cảm biến khí, đặc biệt trong việc phát hiện các khí độc hại trong môi trường công nghiệp và đô thị. Nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu này có độ nhạy cao với NO2 ở nồng độ thấp (dưới 1 ppm), thời gian đáp ứng nhanh (dưới 30 giây), và độ ổn định tốt. Điều này mở ra hướng ứng dụng trong các hệ thống giám sát chất lượng không khí và cảnh báo cháy nổ.

II. Phương pháp chế tạo và phân tích vật liệu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phun tĩnh điện để chế tạo sợi nano SnO2, kết hợp với quy trình tách lớp để tạo tấm nano MoS2. Vật liệu lai được hình thành bằng cách phủ tấm nano MoS2 lên bề mặt sợi nano SnO2. Các phương pháp phân tích tính chất như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần của vật liệu.

2.1. Chế tạo sợi nano SnO2

Sợi nano SnO2 được chế tạo bằng phương pháp phun tĩnh điện, sử dụng dung dịch SnCl2 và polymer PVP. Quá trình này tạo ra các sợi có đường kính từ 100-500 nm, sau đó được ủ nhiệt để loại bỏ polymer và tạo cấu trúc tinh thể SnO2. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và XRD xác nhận cấu trúc tinh thể rutile của SnO2.

2.2. Tạo vật liệu lai SnO2 MoS2

Tấm nano MoS2 được tách lớp từ bột MoS2 thương mại bằng phương pháp rung siêu âm. Vật liệu lai được hình thành bằng cách phủ tấm nano MoS2 lên bề mặt sợi nano SnO2. Kết quả SEM và EDX cho thấy sự phân bố đồng đều của MoS2 trên bề mặt SnO2, tạo ra cấu trúc lai với diện tích bề mặt lớn và tính chất điện tử cải thiện.

III. Kết quả và đánh giá

Nghiên cứu đạt được các kết quả quan trọng trong việc cải thiện tính chất nhạy hơi của vật liệu lai SnO2/MoS2. So với sợi nano SnO2 đơn thuần, vật liệu lai cho độ đáp ứng cao hơn với các khí NO2, SO2, và CO, đồng thời có thời gian đáp ứng và hồi phục nhanh hơn. Các kết quả này được phân tích chi tiết qua các phép đo độ đáp ứng, thời gian đáp ứng, và độ chọn lọc.

3.1. Độ đáp ứng và thời gian đáp ứng

Vật liệu lai SnO2/MoS2 cho độ đáp ứng cao với NO2 ở nồng độ 1 ppm, đạt giá trị 20,5 ở nhiệt độ 150°C, cao hơn so với sợi nano SnO2 đơn thuần (12,3). Thời gian đáp ứng của vật liệu lai cũng nhanh hơn, chỉ khoảng 25 giây so với 40 giây của SnO2. Kết quả này cho thấy sự cải thiện đáng kể nhờ sự kết hợp giữa sợi nano SnO2 và tấm nano MoS2.

3.2. Độ chọn lọc và ổn định

Vật liệu lai cũng thể hiện độ chọn lọc cao với NO2 so với các khí khác như CO và NH3. Độ ổn định của vật liệu được đánh giá qua các phép đo lặp lại, cho thấy độ đáp ứng ít thay đổi sau nhiều chu kỳ đo. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế của vật liệu lai trong các hệ thống cảm biến khí.

Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Tính Chất Nhạy Hơi Của Vật Liệu Lai Sợi Nano SnO2 Và Tấm Nano MoS2