Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ô xít sắt bằng vi cân tinh thể thạch anh

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. Mục tiêu của luận án

0.3. Nội dung nghiên cứu

0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.5. Phương pháp nghiên cứu

0.6. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp thực tiễn của luận án

0.7. Tính mới của luận án

0.8. Bố cục của luận án

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về vi cân tinh thể thạch anh (QCM)

1.2. Hiệu ứng áp điện

1.3. Vi cân tinh thể thạch anh

1.4. Tổng quan về ứng dụng QCM trong cảm biến khí

1.5. Giới thiệu về cảm biến khí

1.6. Cảm biến QCM và nguyên lý hoạt động

1.7. Cơ chế nhạy khí của các cảm biến QCM

1.8. Tổng quan về vật liệu nhạy khí của cảm biến QCM

1.8.1. Vật liệu nhóm cacbon

1.8.2. Vật liệu polymer và vật liệu hữu cơ

1.8.3. Khung hữu cơ kim loại

1.8.4. Vật liệu nano ô-xít kim loại bán dẫn và các chất vô cơ

1.9. Tổng quan về vật liệu ô-xít sắt

1.9.1. Phương pháp chế tạo vật liệu nano ô-xít sắt

1.9.2. Vật liệu nano ô-xít sắt ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và môi trường

1.9.3. Tổng quan về cấu trúc vật liệu nano ô-xít và ô-xít – hydroxit của sắt

1.10. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU NANO Ô-XÍT SẮT VÀ LỚP CẢM NHẬN TRÊN ĐIỆN CỰC QCM

2.1. Tổng hợp các vật liệu nano ô-xít sắt

2.1.1. Tổng hợp các hạt nano (NPs) ô-xít sắt

2.1.2. Tổng hợp các thanh nano (NRs) ô-xít sắt

2.2. Nghiên cứu các phương pháp khảo sát tính chất hóa - lý của vật liệu

2.2.1. Phương pháp phân tích cấu trúc và thành phần mẫu

2.2.2. Phương pháp phân tích Rietveld

2.2.3. Phương pháp khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.2.4. Phương pháp đo từ tính của vật liệu bằng từ kế mẫu rung (VSM)

2.2.5. Phương pháp đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và phổ tán xạ Raman

2.2.6. Phương pháp đo diện tích bề mặt và phân bố kích thước lỗ rỗng

2.3. Chế tạo lớp cảm nhận nano ô-xít sắt trên điện cực của QCM và khảo sát đo khí

2.3.1. Chế tạo lớp cảm nhận nano ô-xít sắt trên điện cực của QCM

2.3.2. Quy trình khảo sát đo khí

2.4. Kết luận Chương 2

3. CHƯƠNG 3: ĐẶC TRƯNG NHẠY KHÍ CỦA CÁC HẠT NANO Ô-XÍT SẮT SỬ DỤNG CẢM BIẾN QCM

3.1. Khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất hóa lý của hạt nano ô-xít sắt

3.1.1. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của các hạt nano ô-xít sắt

3.1.2. Khảo sát hình thái và tính chất hóa lý của vật liệu hạt nano ô-xít sắt

3.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4, γ-Fe2O3 (QP200) và α-Fe2O3

3.2.1. Khảo sát khả năng nhận biết khí của cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4

3.2.2. So sánh đặc trưng nhạy khí SO2 của các cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4, γ-Fe2O3 (QP200) và α-Fe2O3

3.2.3. Khảo sát đặc trưng nhạy khí SO2 của cảm biến sử dụng hạt nano γ-Fe2O3 (QP200)

3.2.4. Ảnh hưởng của ion [Fe3+] và [Fe2+] đối với tính chất nhạy khí SO2 của hạt nano γ-Fe2O3 phủ trên điện cực của QCM

3.2.5. Khảo sát các đặc trưng nhạy khí SO2 của các cảm biến QCM phủ hạt nano γ-Fe2O3 chế tạo từ các tiền chất khác nhau

3.2.6. Khảo sát các đặc trưng nhạy khí chọn lọc, ổn định và ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất nhạy khí của cảm biến Q3

3.3. Kết luận Chương 3

4. CHƯƠNG 4: ĐẶC TRƯNG NHẠY KHÍ CỦA THANH NANO Ô-XÍT SẮT SỬ DỤNG CẢM BIẾN QCM

4.1. Khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất vật liệu thanh nano ô-xít sắt

4.1.1. Vật liệu thanh nano Fe3O4/α-FeOOH

4.1.2. So sánh cấu trúc, hình thái và tính chất của các thanh nano Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3

4.2. Khảo sát các đặc trưng nhạy khí của cảm biến sử dụng thanh nano Fe3O4/α-FeOOH

4.2.1. Các đặc trưng nhạy khí SO2, NO2, CO

4.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của khí CO ở nồng độ cao đến đặc trưng nhạy khí của cảm biến Fe3O4/α-FeOOH

4.2.3. Khảo sát đặc trưng nhạy khí SO2 của các cảm biến sử dụng thanh nano Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3

4.2.4. So sánh các đặc trưng nhạy khí

4.2.5. Đề xuất cơ chế nhạy khí SO2 của các thanh nano ô-xít sắt

4.2.6. Ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng nhận biết khí SO2

4.2.7. Tính chọn lọc SO2 của cảm biến sử dụng thanh nano γ-Fe2O3

4.3. Kết luận Chương 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TUYỂN TẬP CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu nano ô xít sắt

Vật liệu nano ô xít sắt đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu khoa học vật liệu nhờ vào các tính chất độc đáo của chúng. Vật liệu nano này có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, và khả năng tương tác tốt với các phân tử khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ô xít sắt có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực cảm biến khí. Việc phát triển các cảm biến khí dựa trên vật liệu nano này không chỉ giúp phát hiện các khí độc hại mà còn nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến. Theo một nghiên cứu gần đây, tính chất nhạy khí của các hạt nano ô xít sắt có thể được cải thiện thông qua việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của chúng.

1.1. Tính chất hóa lý của vật liệu nano ô xít sắt

Các hạt nano ô xít sắt có cấu trúc tinh thể đặc biệt, cho phép chúng có khả năng hấp thụ và phản ứng với các phân tử khí. Tính chất hóa lý của chúng bao gồm khả năng dẫn điện, từ tính và khả năng hấp thụ ánh sáng. Những tính chất này làm cho vật liệu nano trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong tính chất nhạy khí của các cảm biến sử dụng vật liệu nano ô xít sắt.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án này bao gồm tổng hợp vật liệu nano và khảo sát tính chất nhạy khí của chúng thông qua vi cân tinh thể thạch anh (QCM). Các mẫu vật liệu nano ô xít sắt được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa và nung kết. Sau đó, các mẫu này được phủ lên điện cực của QCM để khảo sát khả năng phát hiện khí. Phương pháp này cho phép đo lường chính xác sự thay đổi tần số của QCM khi tiếp xúc với các khí khác nhau, từ đó đánh giá tính chất nhạy khí của các mẫu. Kết quả cho thấy rằng cảm biến khí sử dụng vật liệu nano có thể phát hiện các khí độc hại với độ nhạy cao và thời gian phản hồi nhanh.

2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu nano

Quy trình tổng hợp vật liệu nano ô xít sắt bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch tiền chất, thực hiện phản ứng hóa học và xử lý nhiệt. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và nồng độ tiền chất đều ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của hạt nano. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các điều kiện này có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất hóa lý của vật liệu nano. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các cảm biến khí với độ nhạy và độ chọn lọc cao hơn.

III. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến QCM

Cảm biến QCM sử dụng vật liệu nano ô xít sắt đã cho thấy khả năng phát hiện khí SO2, NO2 và CO với độ nhạy cao. Các thí nghiệm cho thấy rằng tính chất nhạy khí của cảm biến phụ thuộc vào cấu trúc và hình thái của vật liệu nano. Kết quả cho thấy rằng cảm biến phủ hạt nano Fe3O4 có độ nhạy cao nhất đối với SO2, với thời gian phản hồi nhanh và khả năng lặp lại tốt. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu nano không chỉ cải thiện độ nhạy mà còn tăng cường độ ổn định của cảm biến trong môi trường thực tế.

3.1. So sánh đặc trưng nhạy khí

Việc so sánh đặc trưng nhạy khí giữa các loại cảm biến khác nhau cho thấy rằng cảm biến sử dụng vật liệu nano ô xít sắt có hiệu suất vượt trội hơn so với các loại cảm biến truyền thống. Các thí nghiệm cho thấy rằng cảm biến sử dụng hạt nano γ-Fe2O3 có khả năng phát hiện khí SO2 ở nồng độ thấp, cho thấy tính chọn lọc cao. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các cảm biến khí hiệu quả hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc giám sát ô nhiễm môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano ô xít sắt

Các ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano ô xít sắt trong cảm biến khí rất đa dạng. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị giám sát chất lượng không khí, phát hiện khí độc hại trong môi trường công nghiệp, và trong các hệ thống cảnh báo ô nhiễm. Việc phát triển các cảm biến khí dựa trên vật liệu nano không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến khí sử dụng vật liệu nano ô xít sắt có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, mở rộng khả năng ứng dụng của chúng trong thực tế.

4.1. Tương lai của cảm biến khí

Tương lai của cảm biến khí sử dụng vật liệu nano ô xít sắt hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ trong công nghệ cảm biến. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu nano để nâng cao hiệu suất cảm biến. Ngoài ra, việc kết hợp vật liệu nano với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể giúp phát triển các hệ thống giám sát ô nhiễm thông minh, đáp ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong môi trường.

Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ô xít sắt sử dụng vi cân tinh thể thạch anh