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

• Tác giả: Nguyễn Thành Vinh
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Văn Quy
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ô-xít sắt bằng vi cân tinh thể thạch anh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 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
• 1.9. Vật liệu nhóm cacbon
• 1.10. Vật liệu polymer và vật liệu hữu cơ
• 1.11. Khung hữu cơ kim loại
• 1.12. Vật liệu nano ô-xít kim loại và các chất vô cơ
• 1.13. Tổng quan về vật liệu ô-xít sắt
• 1.14. Phương pháp chế tạo vật liệu nano ô-xít sắt
• 1.15. Vật liệu nano ô-xít sắt ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và môi trường
• 1.16. Tổng quan về cấu trúc vật liệu nano ô-xít và ô-xít – hydroxit của sắt
• 1.17. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO, KHẢO SÁT VẬT LIỆU NANO Ô-XÍT SẮT VÀ CẢM BIẾN
• 2.1. Phương pháp tổng hợp các vật liệu nano ô-xít sắt
• 2.2. Tổng hợp các hạt nano (NPs) ô-xít sắt
• 2.3. Tổng hợp các thanh nano (NRs) ô-xít sắt
• 2.4. Các phương pháp khảo sát tính chất hóa – lý của vật liệu
• 2.5. Phương pháp phân tích cấu trúc và thành phần mẫu
• 2.6. Phương pháp phân tích Rietveld
• 2.7. Phương pháp khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.8. Phương pháp đo từ tính của vật liệu bằng từ kế mẫu rung (VSM)
• 2.9. Phương pháp đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và phổ tán xạ Raman
• 2.10. Phương pháp đo diện tích bề mặt và phân bố kích thước lỗ rỗng
• 2.11. Phương pháp chế tạo lớp cảm nhận nano ô-xít sắt trên điện cực của QCM và khảo sát đo khí
• 2.12. Chế tạo lớp cảm nhận nano ô-xít sắt trên điện cực của QCM
• 2.13. Phương pháp khảo sát đo khí
• 2.14. 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
• 3.2. Khảo sát đặc trưng cấu trúc của các hạt nano ô-xít sắt
• 3.3. Khảo sát hình thái và tính chất hóa lý của vật liệu hạt nano ô-xít sắt
• 3.4. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4, γ-Fe2O3 (QP200) và α-Fe2O3
• 3.5. Khảo sát khả năng nhận biết khí của cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4
• 3.6. So sánh đặc trưng nhạy khí SO2 của các cảm biến QCM phủ hạt nano Fe3O4, γ-Fe2O3 (QP200) và α-Fe2O3
• 3.7. Khảo sát đặc trưng nhạy khí SO2 của cảm biến sử dụng hạt nano γ-Fe2O3 (QP200)
• 3.8. Ảnh hưởng của ion [Fe] và [Fe] đối với tính chất nhạy khí SO2 của hạt nano γ-Fe2O3 phủ trên điện cực của QCM
• 3.9. 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
• 3.10. 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
• 3.11. 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
• 4.2. Vật liệu thanh nano Fe3O4/α-FeOOH
• 4.3. So sánh cấu trúc, hình thái và tính chất của các thanh nano Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3
• 4.4. Khảo sát các đặc trưng nhạy khí của cảm biến sử dụng thanh nano Fe3O4/α-FeOOH
• 4.5. Các đặc trưng nhạy khí SO2, NO2, CO
• 4.6. Khảo sát ảnh hưởng của khí CO ở nồng độ cao đến đặc trưng nhạy khí của cảm biến Fe3O4/α-FeOOH
• 4.7. Khảo sát đặc trưng nhạy khí SO2 của các cảm biến sử dụng thanh nano Fe3O4/α-FeOOH, γ-Fe2O3 và α-Fe2O3
• 4.8. So sánh các đặc trưng nhạy khí
• 4.9. Đề xuất cơ chế nhạy khí SO2 của các thanh nano ô-xít sắt
• 4.10. Ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng nhận biết khí SO2
• 4.11. Tính chọn lọc SO2 của cảm biến sử dụng thanh nano γ-Fe2O3
• 4.12. 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. Tổng quan về nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt

Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu. Vật liệu nano ôxít sắt, với cấu trúc đặc biệt và tính chất vượt trội, đã được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến khí. Việc hiểu rõ về tính chất nhạy khí của chúng không chỉ giúp cải thiện hiệu suất cảm biến mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển công nghệ cảm biến hiện đại.

1.1. Đặc điểm của vật liệu nano ôxít sắt trong cảm biến khí

Vật liệu nano ôxít sắt có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ khí tốt. Những đặc điểm này giúp tăng cường khả năng nhạy khí, đặc biệt là đối với các khí độc hại như SO2 và NO2. Nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc nano giúp cải thiện khả năng tương tác với các phân tử khí, từ đó nâng cao hiệu suất cảm biến.

1.2. Vai trò của vi cân tinh thể thạch anh trong nghiên cứu

Vi cân tinh thể thạch anh (QCM) là một công cụ quan trọng trong việc đo lường tính chất nhạy khí của vật liệu nano. QCM cho phép xác định chính xác sự thay đổi khối lượng của vật liệu khi tiếp xúc với khí, từ đó đánh giá được khả năng nhạy khí của chúng. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu trước đây.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt

Mặc dù vật liệu nano ôxít sắt có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và phát triển chúng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như độ ổn định, khả năng chọn lọc và ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất nhạy khí là những vấn đề cần được giải quyết. Hiểu rõ những thách thức này sẽ giúp cải thiện thiết kế và ứng dụng của cảm biến khí.

2.1. Độ ổn định của vật liệu nano ôxít sắt

Độ ổn định của vật liệu nano ôxít sắt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng các hạt nano có thể bị phân hủy hoặc biến đổi cấu trúc khi tiếp xúc với môi trường, dẫn đến giảm khả năng nhạy khí. Việc phát triển các phương pháp bảo vệ vật liệu là cần thiết.

2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm đến tính chất nhạy khí

Độ ẩm có thể ảnh hưởng lớn đến khả năng nhạy khí của cảm biến. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng độ ẩm cao có thể làm giảm độ nhạy và độ ổn định của cảm biến. Do đó, việc kiểm soát độ ẩm trong quá trình thử nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo kết quả chính xác.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt

Để nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định cấu trúc và tính chất hóa lý của vật liệu mà còn đánh giá khả năng nhạy khí của chúng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano ôxít sắt

Các phương pháp tổng hợp như đồng kết tủa và nung kết tủa đã được sử dụng để tạo ra vật liệu nano ôxít sắt. Những phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano, từ đó ảnh hưởng đến tính chất nhạy khí của chúng.

3.2. Phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí

Phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí bao gồm việc sử dụng vi cân tinh thể thạch anh để đo lường sự thay đổi khối lượng của vật liệu khi tiếp xúc với khí. Phương pháp này cho phép đánh giá nhanh chóng và chính xác khả năng nhạy khí của các mẫu vật liệu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu nano ôxít sắt trong cảm biến khí

Vật liệu nano ôxít sắt đã được ứng dụng rộng rãi trong các cảm biến khí nhờ vào tính chất nhạy khí vượt trội của chúng. Các cảm biến này có thể phát hiện các khí độc hại trong môi trường, từ đó giúp bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Việc phát triển các cảm biến này là rất cần thiết trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng.

4.1. Cảm biến khí SO2 sử dụng vật liệu nano ôxít sắt

Cảm biến khí SO2 sử dụng vật liệu nano ôxít sắt đã cho thấy khả năng phát hiện cao và độ nhạy tốt. Nghiên cứu cho thấy rằng các cảm biến này có thể phát hiện nồng độ SO2 thấp trong không khí, từ đó giúp cảnh báo sớm về ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực môi trường

Vật liệu nano ôxít sắt không chỉ được sử dụng trong cảm biến khí mà còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như xử lý nước thải và lọc không khí. Những ứng dụng này giúp cải thiện chất lượng môi trường sống và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nano ôxít sắt đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực cảm biến khí. Những thách thức hiện tại cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất và độ ổn định của cảm biến. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa trong việc bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới với tính chất nhạy khí tốt hơn. Việc kết hợp các loại vật liệu khác nhau có thể tạo ra những cảm biến khí hiệu quả hơn.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu về vật liệu nano ôxít sắt không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có tầm quan trọng lớn trong việc bảo vệ môi trường. Các cảm biến khí hiệu quả sẽ giúp kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.