Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng nano Nio trong hóa học

Đề tài khảo sát tổng hợp nano Nio và ứng dụng trong hóa học với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài toán thực tế hóa học

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Ánh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Đức Cường
• Trường học: Đại học Trường học Sư phạm
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Nano NiO Và Ứng Dụng Trong Hóa Học
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Cần Thơ

Mục lục chi tiết

• Trang phụ bìa
• Lời cam đoan
• Lời cảm ơn
• Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. Lý do chọn đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 4. Phương pháp nghiên cứu
• 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 6. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về khoa học nano và công nghệ nano
• 1.2. Tổng quan về Niken (II) Oxit
• 1.3. Tình hình nghiên cứu về tổng hợp và chất nhạy khí của NiO
• 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp chụp hiển vi điện tử quét
• 2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
• 2.2.4. Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao và nhiễu xạ electron khu vực được chọn
• 2.2.5. Phổ hồng ngoại
• 2.2.6. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ/giải hấp phụ N2
• 2.2.7. Phương pháp phân tích nhiệt
• 2.2.8. Phổ tán sắc năng lượng tia X
• 2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.4. Tổng hợp nano NiO
• 2.5. Biến tính nano NiO bằng hạt nano Ag
• 2.6. Khảo sát tính chất nhạy khí của nano NiO và Ag/NiO
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả đặc trưng của Ni(OH)2 tiền chất và NiO cấu trúc nano quả cầu rỗng
• 3.2. Tính chất nhạy khí của nano NiO
• 3.3. Biến tính nano NiO bằng hạt nano Ag
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Bài báo liên quan đến luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nano NiO

Nghiên cứu tổng hợp nano NiO đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực hóa học và vật liệu. Nano NiO là một trong những oxit kim loại quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như cảm biến, chất xúc tác và pin. Việc tổng hợp nano NiO có thể được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phương pháp hóa học ướt, phương pháp sol-gel và phương pháp nhiệt phân. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và tính chất của sản phẩm cuối cùng. Theo nghiên cứu, kích thước hạt nano NiO có thể được điều chỉnh thông qua các điều kiện tổng hợp, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện hóa của vật liệu. "Việc kiểm soát kích thước và hình dạng của nano NiO là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể."

1.1. Tính chất của nano NiO

Tính chất của nano NiO rất đa dạng và phụ thuộc vào kích thước cũng như cấu trúc của nó. Nano NiO có tính chất bán dẫn, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng điện tử. Hơn nữa, nano NiO còn có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, làm cho nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng quang học. "Tính chất quang học của nano NiO có thể được cải thiện thông qua việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt." Nghiên cứu cho thấy rằng nano NiO có thể được sử dụng trong các cảm biến khí, nơi mà khả năng phát hiện các khí độc hại là rất quan trọng. Sự kết hợp giữa tính chất điện hóa và quang học của nano NiO mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng và môi trường.

II. Phương pháp tổng hợp nano NiO

Có nhiều phương pháp để tổng hợp nano NiO, mỗi phương pháp đều có những đặc điểm riêng. Phương pháp hóa học ướt là một trong những phương pháp phổ biến nhất, cho phép kiểm soát tốt kích thước và hình dạng của hạt. Phương pháp này thường sử dụng các tiền chất như Ni(NO3)2 và các tác nhân khử như NaBH4. "Phương pháp hóa học ướt cho phép tạo ra nano NiO với kích thước đồng nhất và tính chất ổn định." Ngoài ra, phương pháp sol-gel cũng được sử dụng rộng rãi, cho phép tổng hợp nano NiO với cấu trúc tinh thể tốt. Phương pháp nhiệt phân là một lựa chọn khác, thường được sử dụng để tạo ra nano NiO với kích thước lớn hơn và tính chất khác biệt. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và tính ứng dụng của nano NiO trong thực tế.

2.1. Đánh giá hiệu suất của các phương pháp

Mỗi phương pháp tổng hợp nano NiO đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp hóa học ướt thường cho ra sản phẩm với kích thước nhỏ và đồng nhất, nhưng có thể gặp khó khăn trong việc quy mô hóa. Ngược lại, phương pháp nhiệt phân có thể tạo ra nano NiO với kích thước lớn hơn, nhưng thường không đồng nhất. "Việc đánh giá hiệu suất của các phương pháp tổng hợp là rất quan trọng để xác định phương pháp tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể." Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp các phương pháp khác nhau có thể mang lại kết quả tốt hơn, tối ưu hóa tính chất của nano NiO cho các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và năng lượng.

III. Ứng dụng của nano NiO trong hóa học

Ứng dụng của nano NiO trong hóa học rất đa dạng, từ cảm biến đến chất xúc tác. Trong lĩnh vực cảm biến, nano NiO được sử dụng để phát hiện các khí độc hại như CO và NO2. "Khả năng phát hiện khí của nano NiO có thể được cải thiện thông qua việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt." Ngoài ra, nano NiO còn được sử dụng trong các ứng dụng chất xúc tác, nơi mà nó có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học một cách hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng nano NiO có thể hoạt động như một chất xúc tác trong các phản ứng oxy hóa, giúp tăng cường hiệu suất của quá trình. Việc ứng dụng nano NiO trong các lĩnh vực này không chỉ mang lại lợi ích về mặt hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

3.1. Tương lai của nano NiO trong nghiên cứu

Tương lai của nano NiO trong nghiên cứu hóa học rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, khả năng ứng dụng của nano NiO sẽ ngày càng mở rộng. "Nghiên cứu về nano NiO sẽ tiếp tục tập trung vào việc cải thiện tính chất và hiệu suất của vật liệu này trong các ứng dụng thực tiễn." Các nghiên cứu mới có thể khám phá ra những ứng dụng chưa được biết đến của nano NiO, từ năng lượng tái tạo đến các công nghệ mới trong lĩnh vực y tế. Sự phát triển của nano NiO không chỉ mang lại lợi ích cho ngành hóa học mà còn cho toàn bộ xã hội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khí hydro sunfua ($H_2S$) là một trong những hợp chất độc hại nguy hiểm hàng đầu trong các ngành công nghiệp dầu khí, chế biến hóa chất và xử lý môi trường, có khả năng gây tê liệt hệ thần kinh và tử vong ngay cả ở nồng độ cực thấp dưới 10 ppm. Nhằm giải quyết yêu cầu cấp thiết về việc phát hiện sớm và chính xác các loại khí độc, luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu niken(II) oxit ($NiO$) cấu trúc nano nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến khí hiệu năng cao. $NiO$ là chất bán dẫn loại p điển hình có năng lượng vùng cấm rộng từ 3,6 eV đến 4,0 eV, sở hữu độ bền hóa nhiệt cao và khả năng hấp phụ oxy bề mặt phong phú. Mục tiêu cốt lõi của công trình là xây dựng quy trình chế tạo cấu trúc vi cầu xốp rỗng ba chiều $NiO$ thông qua tiền chất $\alpha\text{-}Ni(OH)_2$ dạng bông hoa bằng phương pháp thủy nhiệt thân thiện với môi trường, đồng thời biến tính bề mặt bằng hạt nano bạc ($Ag$) để tối ưu hóa độ nhạy với các loại khí $H_2S$, $H_2$, $NH_3$ và $CO$. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Thừa Thiên Huế vào năm 2018 với phạm vi phân tích nồng độ khí từ 0,25 ppm đến 200 ppm ở dải nhiệt độ khảo sát 150°C đến 300°C. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn nổi bật của đề tài được khẳng định khi vật liệu nano $NiO$ tổng hợp đạt diện tích bề mặt riêng lên tới 64 $m^2/g$, mang lại độ đáp ứng vượt trội $S = 27,3$ đối với 20 ppm khí $H_2S$ tại nhiệt độ tối ưu 200°C. Thành công này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc sản xuất các thiết bị cảm biến khí nhỏ gọn, chi phí thấp và độ bền cao phục vụ an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ chế hoạt động của cảm biến khí oxit kim loại bán dẫn loại p như $NiO$ vận hành dựa trên sự biến thiên điện trở khi bề mặt vật liệu tương tác với các phân tử khí mục tiêu. Trong môi trường không khí, các phân tử oxy bị hấp phụ trên bề mặt nano $NiO$ sẽ bẫy các electron từ dải hóa trị để tạo thành các ion oxy hoạt động ($O_2^-$, $O^-$, $O^{2-}$), từ đó làm gia tăng nồng độ lỗ trống ($h^+$) và hình thành lớp tích lũy lỗ trống dẫn điện, khiến điện trở ban đầu của cảm biến giảm xuống. Khi tiếp xúc với các dòng khí khử như $H_2S$ hoặc $H_2$, phản ứng oxy hóa khử diễn ra làm giải phóng electron trở lại mạng tinh thể, dẫn đến sự tái kết hợp giữa electron và lỗ trống, làm suy giảm mật độ hạt tải và khiến điện trở đo được tăng vọt. Bên cạnh lý thuyết bán dẫn oxit, nghiên cứu áp dụng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Brunauer - Emmett - Teller (BET) loại IV kết hợp giải thuật Barrett - Joyner - Halenda (BJH) nhằm xác định hệ thống mao quản trung bình (mesoporous). Các khái niệm lý thuyết cốt lõi được khai thác bao gồm năng lượng vùng cấm quang học (3,6 - 4,0 eV), hiệu ứng kích thước nanomet, cấu trúc phân cấp ba chiều (3D hierarchical structure) và cơ chế xúc tác phân ly hydro của hạt nano kim loại quý $Ag$.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa với cỡ mẫu tổng hợp gồm 1,24 g muối $Ni(NO_3)_2\cdot6H_2O$ hòa tan cùng 13,5 g urea trong 435 mL nước cất, phản ứng thủy nhiệt ở 60°C trong 12 giờ rồi nâng lên 90°C trong 8 giờ mà không cần sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào. Mẫu tiền chất $\alpha\text{-}Ni(OH)2$ sau đó được nung ở 600°C trong 5 giờ với tốc độ gia nhiệt 5°C/phút trong không khí để chuyển hóa hoàn toàn thành $NiO$ dạng vi cầu rỗng xốp. Mẫu biến tính $Ag/NiO$ được tạo thành qua phản ứng khử hóa học ion $Ag^+$ bằng chất khử $NaBH_4$. Mẫu sau tổng hợp được phân tán trong dung môi ethanol và nhỏ phủ lên bề mặt điện cực răng lược chuyên dụng, sau đó sấy và ủ nhiệt để bảo đảm độ bám dính cơ học. Hệ phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn kỹ lưỡng: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) góc quét $2\theta$ từ 20° đến 80° với bước nhảy 0,01° để định danh pha tinh thể; hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua phân giải cao (HR-TEM) xác định hình thái vi cầu 2 - 10 µm và mặt mạng $d{111} = 0,24$ nm; phân tích nhiệt vi sai trọng lượng (TG-DTG) trong khoảng nhiệt độ 25°C - 800°C kiểm chứng mức hao hụt 21% khối lượng khi chuyển pha; kết hợp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và hệ thống đo điện trở tự động Keithley trong buồng khí kín được thực hiện đồng bộ trong năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích hình thái vi cấu trúc bằng ảnh SEM và TEM khẳng định sự hình thành đồng nhất của các quả cầu $NiO$ rỗng ba chiều phân cấp với đường kính 2 - 10 µm, được cấu tạo từ vô số hạt nano kích thước 20 - 50 nm đan kết tạo khung xốp. Diện tích bề mặt riêng BET đạt 64 $m^2/g$, sở hữu hệ thống mao quản trung bình liên tục phân bố trong khoảng 2 - 47 nm và đạt cực đại tại đường kính 20 nm.

Thứ hai, cảm biến nano $NiO$ thể hiện độ nhạy xuất sắc đối với khí $H_2S$ tại nhiệt độ làm việc tối ưu 200°C. Độ đáp ứng tăng trưởng tuyến tính rõ rệt từ 1,9 tại nồng độ 0,25 ppm lên mức 27,3 khi nồng độ $H_2S$ đạt 20 ppm, tương đương mức cải thiện tín hiệu hồi đáp gấp hơn 14 lần (tăng trưởng trên 1336%).

Thứ ba, vật liệu cho thấy tính chọn lọc tuyệt đối với $H_2S$ khi đặt cạnh các khí khử độc hại và dễ cháy khác. Trong khi độ đáp ứng với 20 ppm $H_2S$ đạt giá trị 27,3, tín hiệu cảm biến với các khí $NH_3$, $CO$ và $H_2$ ở nồng độ cao từ 50 ppm đến 200 ppm chỉ dao động nhẹ từ 1,1 đến 1,4, chứng minh độ nhạy chọn lọc với $H_2S$ cao hơn từ 19,5 đến 24,8 lần.

Thứ tư, việc biến tính hạt nano $Ag$ lên khung cấu trúc $NiO$ đã tạo ra bước tiến lớn trong khả năng phát hiện khí hydro ($H_2$). Mẫu $Ag/NiO$ cho độ hồi đáp với $H_2$ trong dải nồng độ 25 - 200 ppm tại 200°C vượt trội hoàn toàn so với mẫu $NiO$ nguyên chất và cấu trúc dây nano đơn lẻ.

Thảo luận kết quả

Khả năng nhạy khí và tính chọn lọc vượt bậc của quả cầu rỗng $NiO$ với $H_2S$ bắt nguồn từ ba nguyên nhân chính: ái lực hóa học đặc thù giữa nguyên tử niken và lưu huỳnh thúc đẩy mạnh mẽ quá trình hấp phụ hóa học; hoạt tính xúc tác tự nhiên của $NiO$ trong việc oxy hóa các phân tử $H_2S$; cùng kiến trúc xốp 3D cung cấp hệ mao quản mở giúp dòng khí khuếch tán không bị cản trở tới các tâm hoạt động sâu bên trong. So sánh với các công trình công bố quốc tế, độ đáp ứng $S = 27,3$ ở 20 ppm của $NiO$ quả cầu rỗng cao hơn vượt bậc so với tấm nano $NiO$ ($S \approx 3$ ở 10 ppm), dây nano $SnO_2$ ($S \approx 5$) và màng xốp $TiO_2/SiO_2$ ($S \approx 6$ ở 20 ppm). Về mặt động học, cảm biến có thời gian đáp ứng là 85 giây và thời gian phục hồi là 87 giây, duy trì tín hiệu không suy giảm sau 5 chu kỳ đo lặp lại liên tiếp. Trong các báo cáo khoa học và tài liệu học thuật, sự biến thiên điện trở theo nồng độ khí qua các mức nhiệt độ 150°C - 300°C có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đường động học hồi đáp, trong khi độ chọn lọc khí và các thông số so sánh liên vật liệu nên được cấu trúc dưới dạng biểu đồ cột đa trục và bảng đối chiếu hiệu năng kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp công nghệ kích thích quang học bằng bức xạ tử ngoại (UV) công suất thấp hoặc chế tạo bộ vi gia nhiệt xung nhiệt độ cục bộ vào module cảm biến nhằm đẩy nhanh tốc độ giải hấp phụ khí, đặt mục tiêu rút ngắn thời gian đáp ứng và phục hồi từ 85 - 87 giây xuống dưới 25 giây trong vòng 12 tháng tới (Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu kỹ thuật vi điện tử và chế tạo linh kiện bán dẫn).

Thứ hai, mở rộng nghiên cứu biến tính cấu trúc vi cầu rỗng $NiO$ với các hạt nano kim loại quý đa chức năng như Pt, Pd, Au hoặc tạo dị thể oxit p-n với $ZnO$, $SnO_2$ nhằm hạ nhiệt độ vận hành từ 200°C xuống nhiệt độ phòng (25°C - 50°C), hướng tới giới hạn phát hiện siêu vết dưới 10 ppb trước năm 2026 (Chủ thể thực hiện: Các phòng thí nghiệm vật liệu nano và công nghệ hóa lý).

Thứ ba, chuẩn hóa và mở rộng quy mô tổng hợp thủy nhiệt không sử dụng chất định hướng cấu trúc từ quy mô bình phản ứng 500 mL lên hệ thống mẻ bán công nghiệp 50 - 100 lít, giúp cắt giảm 30% đến 40% chi phí nguyên liệu và xử lý dung môi trong lộ trình 18 tháng (Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp sản xuất hóa chất và vật liệu tiên tiến).

Thứ tư, ứng dụng thử nghiệm module cảm biến $Ag/NiO$ và $NiO$ trong hệ thống quan trắc an toàn công nghiệp tại các giàn khoan khai thác dầu khí, nhà máy lọc hóa dầu và trạm cung cấp nhiên liệu hydro với thời gian theo dõi liên tục tối thiểu 12 tháng (Chủ thể thực hiện: Cơ quan quản lý an toàn môi trường và doanh nghiệp công nghiệp năng lượng).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hóa vô cơ, Khoa học vật liệu và Hóa lý: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về quy trình tổng hợp thủy nhiệt kiểm soát hình thái 3D không chất hoạt hóa và phương pháp luận phân tích cấu trúc tinh thể qua XRD, SEM, HR-TEM, TG-DTG.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành công nghiệp cảm biến khí và thiết bị IoT: Sử dụng các dữ liệu về chế tạo màng mỏng trên điện cực răng lược và giải thuật đo lường điện trở để phát triển các dòng sản phẩm cảnh báo rò rỉ khí $H_2S$ thương mại.

Thứ ba, các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác dị thể và vật liệu lưu trữ năng lượng: Cấu trúc vi cầu rỗng xốp với diện tích bề mặt 64 $m^2/g$ là mô hình tuyệt vời để phát triển vật liệu điện cực cho siêu tụ điện, pin sạc lithium-ion hoặc chất xúc tác quang hóa xử lý nước thải.

Thứ tư, chuyên viên quản lý an toàn lao động và kỹ thuật viên quan trắc môi trường công nghiệp: Nắm vững nguyên lý hoạt động và ngưỡng nhiệt độ tối ưu của cảm biến bán dẫn oxit để lựa chọn giải pháp cảnh báo sớm rủi ro cháy nổ và nhiễm độc khí trong môi trường sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc quả cầu rỗng $NiO$ mang lại ưu thế gì cho khả năng cảm biến khí? Cấu trúc vi cầu rỗng ba chiều kích thước 2 - 10 µm tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn lên tới 64 $m^2/g$ cùng hệ thống mao quản trung bình 2 - 47 nm. Cấu trúc xốp mở này giúp phân tử khí $H_2S$ khuếch tán nhanh và tiếp cận tối đa các tâm hấp phụ oxy bề mặt, tạo ra độ đáp ứng vượt trội 27,3 ở 20 ppm.

Tại sao nhiệt độ 200°C là điều kiện hoạt động tối ưu của cảm biến $NiO$? Tại nhiệt độ dưới 200°C, năng lượng kích hoạt chưa đủ để quá trình hấp phụ hóa học của $H_2S$ diễn ra mạnh mẽ. Khi nhiệt độ vượt quá 200°C lên dải 250°C - 300°C, quá trình giải hấp phụ nhiệt chiếm ưu thế làm giảm lượng khí bám dính trên bề mặt, khiến độ đáp ứng của cảm biến suy giảm rõ rệt.

Biến tính bằng hạt nano $Ag$ cải thiện tính chất cảm biến của $NiO$ như thế nào? Hạt nano $Ag$ phân tán trên bề mặt $NiO$ hoạt động như một chất xúc tác phân ly (hiệu ứng spillover). Khi tiếp xúc với khí hydro ($H_2$) ở nồng độ 25 - 200 ppm tại 200°C, $Ag$ thúc đẩy phân cắt liên kết $H\text{-}H$ thành các nguyên tử hydro hoạt tính phản ứng với oxy bề mặt, làm tăng mạnh độ hồi đáp điện trở so với $NiO$ nguyên bản.

Quy trình tổng hợp trong luận văn có những điểm ưu việt gì về kinh tế và môi trường? Phương pháp thủy nhiệt sử dụng các hóa chất phổ biến như niken nitrat và urea hòa tan trong nước cất ở nhiệt độ thấp (90°C), hoàn toàn không dùng chất hoạt động bề mặt hay dung môi hữu cơ độc hại. Điều này giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất, đơn giản hóa công đoạn tinh chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Cảm biến nano $NiO$ có độ bền và độ lặp lại như thế nào trong thực tế? Kiểm tra thực nghiệm qua 5 chu kỳ đo luân phiên liên tiếp giữa môi trường không khí và 20 ppm khí $H_2S$ ở 200°C cho thấy tín hiệu điện trở và độ đáp ứng của cảm biến hoàn toàn ổn định, không có hiện tượng trôi nền, khẳng định độ tin cậy và tuổi thọ hoạt động cao của cấu trúc nano oxit.

Kết luận

• Tổng hợp thành công tiền chất $\alpha\text{-}Ni(OH)_2$ dạng bông hoa kích thước 2 - 10 µm bằng phương pháp thủy nhiệt nhiệt độ thấp 90°C không sử dụng chất hoạt động bề mặt.
• Chuyển hóa hoàn toàn tiền chất thành cấu trúc vi cầu $NiO$ rỗng xốp 3D qua quá trình nung 600°C trong 5 giờ, đạt diện tích bề mặt riêng BET 64 $m^2/g$ và đường kính mao quản tập trung ở 20 nm.
• Ghi nhận độ đáp ứng nhạy khí $H_2S$ vượt bậc $S = 27,3$ ở nồng độ 20 ppm tại nhiệt độ tối ưu 200°C, thể hiện tính chọn lọc vượt trội hơn 19 lần so với $NH_3$, $CO$ và $H_2$.
• Biến tính thành công hạt nano $Ag$ trên nền $NiO$ bằng phương pháp khử hóa học đơn giản, giúp tăng cường mạnh mẽ tín hiệu phát hiện khí $H_2$ trong dải 25 - 200 ppm.
• Xác lập đầy đủ hệ thống dữ liệu vi cấu trúc và chứng minh độ ổn định lặp lại hoàn hảo qua 5 chu kỳ đo với thời gian đáp ứng 85 giây và phục hồi 87 giây.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là đã thiết lập một phương pháp công nghệ đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường để chế tạo vật liệu bán dẫn loại p cấu trúc phân cấp hiệu năng cao. Định hướng tiếp theo cần tập trung tích hợp công nghệ vi giải hấp phụ và hoàn thiện module đo tự động trong vòng 12 - 24 tháng tới để hướng tới thương mại hóa sản phẩm. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế để khai thác chi tiết các quy trình và thông số kỹ thuật thực nghiệm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan vỀ khoa học nano và công nghệ nano Khoa học và công nghệ nano dang là trào lưu nghiên cứu, lim ôi ong những năm đầu thế kỹ 21. Không nghĩ ngờ gì nữa, nh vục này mỡ ra rang mới về hướng Khoa học đầy tểm ning va sing to, mit ah vực mà ở đó con người cố th tao rà những vật sáng ch nhỏ nhất ở cấp độ nguyên tử của th giới 8] Khoa hoe nano là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và sự can thiệp ào vật iệu ở các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Quy mô này tương ứng với kích thước vào cỡ vài nanomet cho đến vài trăm nanomet (nm, 1 nm = 102m).

Tại các quy mồ đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Quy mô này cũng mang ạ tên gọi cho môn khoa học nà [76] Công nghệ nano là ngành công nghệ liên quan đến việc chế to, thiết kế, phân tích và ứng dụng các cấu trúc, tiết bị, hệ thống bằng việc điều khiển hình đảng, kích thước trên cắp độ nanomet. Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học. nano đối khi không rõ ràng, tuy nhiền chúng đều cỏ chung đổi tượng là vật liệu nano [76].

Ngudi ta ding khái niệm công nghệ nano 1a dé chi tinh vực khoa học và công nghệ mà đổi tượng nghiên cứu cũng như thao tác của nó có kích thước và ‘dung sai trong đãi từ 0,1 nm tới 100 nm. Với công nghệ này, cho phép chế tạo các thiết bị mới dua rên các tính chất vật lý quen thuộc của nguyên từ và phân tử. "Những thiết bị chế ạo bằng công nghệ nano có các đặc tính siều việt như nhỏ hơn, nhanh hơn, in hơn hoặc thêm nhiễu đặc tính hoàn toän mới so với các thiết bị .được chế ạo rên nền tảng công nghệ cũ. Công nghệ nano là sự kết tỉnh của nhiều thành tựu khoa học trên nhiễ lĩnh vực khác nhau và là công nghệ cỏ tính khả tỉ.

Nhiều nhà nghiên cứu dự bảo rằng, công nghệ nano sẽ đem lại một cuộc cách mạng mới, mà m năng ứng dụng của nỗ mới chỉ đang được thảo luận ở mức độ sơ khai (98), 12, Tổng quan v8 Niken (11) Oxit Niken (1) oxit 1a chit rin mau Tye, Bing 1. mô tả các thông số lý hóa cơ bản của niken () oxit và hình 1.1 8 tinh thé niken (1) oxit Băng L. Các thông số ý hồ của nike (D) oxit Cling te pin ar Ni Bề ngoài Tỉnh thẻ xanh kết nh Khối lượng riéag | 6.67 g/cm? Điểm nóng chảy | 1995 °C (2228 K: 3551 °F) Độ hòa tan Không tan trong nước, tan đề đàng trong dụng địch axit Enanpi hình thành. |-240kJ/mol Niken (H) oxit có dạng tình thê lập phương kiêu NaC| (lập phương tâm điện).

và có thành phẳn không hợp thức [10] Minh 1.1, Tinh thé Niken (1) oxit 'Niken(I) oxit là một hợp chất tiêu biểu của niken, được phân loại như một kim loại oxit cơ bản, NÍO có thể được điều chế bởi nhiều phương pháp. Khi nung ở trên 400 °C, bột niken phản ứng với oxy dé cho NiO. Trong một số quy trình. thường mại, niken IT oxit xanh duge lam bằng cách nung một hỗn hợp bột niken và nước ở 1000 °C, tỷ lệ phân ứng này có thể tăng lên bằng cách thêm NiO.

Phương pháp đơn giãn nhất và thành công nhất lã thông qua sự phân huỹ của các hợp chất niken (T) như hyđmoxt, niưat và cacbonal, tạo ra bột mẫu xanh lá cây énh sing “Trong bãi luận văn này, chúng tôi ting hop NiO thông qua sự phân hủy Ni(OID); (99), [NiO 1a vit ligu trong đổi ính khiết và cô nhiều ứng dụng, chủ yếu được sử đụng cho sân xuất hợp kim. Nó được sử dụng trong ngành công nghiệp gồm để pha chế t, fedi, sử. Các oxi thiêu kết được sử dụng để sản xuất hợp kim niken. Năm 1920 Charles Edouard Guillaume giảnh giải Nobel vật Lý cho nghiền cửu của mình trên hợp kảm thép nken mã ông gọi là mvar và invar [9] NỈO cũng là một thành phần trong niken-pin sit, cin duge goi li pin Edison và là một thành phần trong pin nhiên liệu.

Đây là nguyên liệu của mudi niken để sử cdụng như chất hóa học đặc biệt và chất xúc tie. Gin diy, NiO đã được sử dụng để sản xuắt pin NiCd o6 thể sạc lại được tìm thấy ong nhi thết bi di tử cho đến Khi sự phát iển của pin NIMH ưu việt về mặt mỗi trường. NÌO là vật liệu điện cực võ cực, đã được nghiên cứu ông rã như à các điện cực chẳng ai với vonfam oxi, vat liu dign ewe cathodic, bỗ sung cho thiết bị điện chromie [9] Khoảng 4000 tấn hóa họ lớp NiO được sin xuất bằng nm. NiO den li nguyên iệu của muỗi niken, phát sinh từ việc xử lý các mi khoáng.

NO là chất xúc tic hydrogenation inh os Niken (II) oxit nông chdy véi hydro, carbon, hoge carbon monoxide wo: thành niken kim loi. Nó kết hợp với các oxit mai và ki ở nhiệt độ cao C 700 *C) để to hành nikenattương ứng [10] Niken (I) oxit phn ting vi crom (II) oxi trong một môi trường âm để tạo thành nike eromat 2€%,0;+4NiO+ 30, -» 4NICIO, 1. Tình hình nghiên cứu v tổng hợp và chất nhạy khi ciia nano NiO Tình hình nghiên cứu trên thế giới CCho đến nay, những nỗ lục to lớn của các nhà nghiên cứu đã và đang tập trung chế tạo nhiễu loại cấu trúc nano oxit im loại khác nhau để khẩm phá các đặc tính câm biến khi nỗi bật cña chủng nhưtính chọn lọc và độ bi đáp cao, thời gian ồi đáp và phục hồi nhanh, độ bền và độ lạp lạ tố [75, #4. Trên cơ sở nguyên tắc lâm việc của cảm biến oxit bán dẫn, bắt nguồn từ phân ứng giữa khi phân tích và ion oxi trên bề mặt cảm biển (38, liên quan chặt chẽ đến hình thái, độ xốp và cấu trúc vật liệu [35, 46].

Các nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu có độ xếp cao với hệ thống mao quản nhiều có tính chất nhạy khí độc đáo. Lì và cộng sự đã chứng mình ring hệ thống mao quân trung bình liên tục của vật liệu WO, cho khả năng pht hiện cao 5Š với độ hồi đáp và phục hồi nhanh [90 Kim và công sự chỉ ra rằng việc phát hiện fomandchit vượt tội của mang ba chiều Co,O, võ rỗng liên quan đến hệ thống phân cấp cầu trúc đó chính là hiệu ứng đồng vân của cấu trúc quả cầu rỗng (hollow spheres) và chính võ của quả cầu cũng có nhiễu lỗ rỗng hình thành mạng lưới không gian 3 chiều [48]. Alenezi và cộng sự báo cáo rằng các cấu trúc nano .ZnO phân cấp cho độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh với axeton so với các. cfu te nano Zn0 mit ci "Những nghiên tren ef raring cfu tc nano bản dẫn ovi kim loại cấu trúc ba chiều có những ưu điểm riêng biệt của cả khối xây dưng và thành phần ban đầu [21] với một độ thấp, độ xếp cao và không gian tiếp cân lớn [S3] được coi à một trong những ứng cử viên cảm biến khí đầy hứa hơn nhất [87] Trong số các oxit kim loại, si! niken (NiO), là chất bán dẫn loại p quan trong bởi năng lực vùng cắm rồng ~ 3.8 eV, ấn định hóa học và bn nhiệt ca [66].

cấu trie nano phân cắp của chúng cho thấy nhiều tiễm năng ứng dụng rong nhiều lũnh vực như siêu tụ điện 67], chất xúc te [92], pin điện [19] và cảm biển sinh hoe (64). Cho đến nay, một số ấu trúc nano NiO đã được tổng hợp như tắm nano [31], dây [#1], ống (55], quả cầu rỗng [34]. Một số nỗ ực nghiên cứu cũng ấp trung vào việc chế tạo các cấu rúc nano NIO phân cấp ba chiều độc đáo để tìm ra các ính chất sâm biển khí mới. Ví đụ như, Miao và công sự báo cáo rằng các cầu trú vỉ mô dang bông hoa của NỈO sắp sếp từ cc tắm nao siêu móng tạ thành một cầu trúc nhiề lớp, cho thấy sự phá hiện tất và chọn lọc vi ethanol [65].

Yu va cng su bo cáo rằng hiệu suất cảm biển khí tăng cường của cấu trúc mạng lưới nano NO được lắp ấp bởi các dây nano lã do kiến trúc ba chiều độc đáo tạo ra các kênh khuếch ăn mỡ [93]. San vã công sự cho thấy rằng các cfu tric ba chiéu NiO phân cấp với diện ích bề mặt lớn có tính chất cảm biển khí cao hơn so với các tắm nano (83), Tuy 48 ceö một số nghiên cứu thành công trong việc kiểm soát chế tạo cấu trúc nano NiO xép ba chigu cho cm bién khi, Tuy nhién d8 phéttrién mot phuong phip ting hop đơn giản để thiết kế các kiến trie NiO phan cip mai co 49 xép cao để khám phá đặc tính cảm biến khí độc đáo của nó à vô cùng quan trọng Mac di đã có những tiến bộ đáng kể tong việc ứng dung NiO nano tỉnh khiết trong xúc tác và cảm biển khí, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm, chẳng hạn như độ chọn lọc chưa cao và nhiệt độ làm việc cao [73]. Để cải thiện hiệu suất, phương pháp bổ sung các phụ gia đặc biệt tạo ra dang composite sẽ cãi thiện ding kỂ tính chất vật lý và hóa học của nó. Việc biển tính bề mặt của NiO bằng các chất xúc tác kim loại hoặc oxiteó th tạo ra ba lợi Ích: () tạo ra nhiều khuyết tật cẫu trúc hơn tong cảm biển kim loại oxi; (ï) đẩy nhanh phản ứng trên bÈ mặt oxit bằng hoạt tính xúc te; (ii) thay dBi cấu trúc năng lượng vùng cắm của exit NiO bing cách thiết kế các hệ thống dị hợp [37] Kim và công sự báo cáo rằng khả năng phát hiện siêu chọn lọc và nhay cảm tới ylene và toluene đạt được bằng cách sử dụng các cấu trúc nano da ef NiO pha tap C [49].

Wang và cộng sự đã chứng mình rằng pha tạp NiO cấu trúc hình cây thông bằng ZnO có khả năng phát hi ổn định và chọn lọc tuyệt vời đối với khí NH; so với các loại khí hữu cơ khác [42] Cảm. biến khí dua trên cấu trúc mizo, nano dạng lõi vỏ, hình cầu NỈO biển tí bằng Cr cổ độ chọn lọc tuyệt vời đối với khí xylene, có độ hồi đáp cao hơn cảm biến NiO nguyên chất [79]. LẤy cảm hứng từ các kết quả nảy, chúng tôi nhận ra rằng biển tính các cấu trúc nano NiO bằng kim loại quý là một cách tiếp cận diy hứa hẹn để thiết kế các vật liệu xú tác và cảm biển khí hiệu năng cao Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam. Tại Việt Nam, giáo su N.