I. Giới thiệu về vật liệu nano TiO2 dạng ống
Vật liệu nano TiO2 dạng ống đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cảm biến khí. TiO2 là một loại oxit kim loại có tính chất quang học và điện hóa đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như quang xúc tác, pin mặt trời và cảm biến khí. Đặc biệt, vật liệu nano TiO2 dạng ống có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ khí tốt và độ nhạy cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các cảm biến khí độc hại như NO2. Nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc ống của TiO2 không chỉ cải thiện tính chất nhạy khí mà còn giúp tăng cường độ bền và độ ổn định của cảm biến trong môi trường khắc nghiệt.
1.1. Tính chất quang học và điện hóa của TiO2
TiO2 có ba dạng tinh thể chính: anatase, rutile và brookite, mỗi dạng có những tính chất quang học và điện hóa khác nhau. Tính chất quang học của TiO2 cho phép nó hấp thụ ánh sáng UV, tạo ra điện tử và lỗ trống, từ đó thúc đẩy các phản ứng hóa học. Tính chất điện hóa của TiO2 cũng rất quan trọng, đặc biệt trong các ứng dụng cảm biến, nơi mà sự thay đổi điện trở của vật liệu có thể được sử dụng để phát hiện nồng độ khí. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng TiO2 dạng ống có độ nhạy cao hơn so với các dạng khác nhờ vào cấu trúc xốp và định hướng ưu tiên một chiều của nó.
II. Phương pháp tổng hợp nano oxit TiO2 dạng ống
Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2, trong đó phương pháp thủy nhiệt được sử dụng phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép kiểm soát hình dạng và kích thước của vật liệu, từ đó tạo ra các ống nano TiO2 với độ đồng đều cao. Các yếu tố như nồng độ NaOH, thời gian thủy nhiệt và nhiệt độ nung ủ đều ảnh hưởng đến quá trình hình thành ống nano. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể dẫn đến việc sản xuất các ống nano TiO2 với tính chất nhạy khí tốt hơn, phù hợp cho ứng dụng trong cảm biến khí.
2.1. Các phương pháp tổng hợp khác
Ngoài phương pháp thủy nhiệt, các phương pháp khác như điện hóa và phun phủ điện tử cũng được nghiên cứu để tổng hợp TiO2 dạng ống. Phương pháp điện hóa cho phép tạo ra các ống nano với kích thước và hình dạng được kiểm soát tốt, trong khi phun phủ điện tử có thể tạo ra các lớp mỏng TiO2 với độ dày đồng đều. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng cảm biến khí.
III. Đặc trưng nhạy khí của cảm biến Au ống nano TiO2 Au
Cảm biến khí được chế tạo từ cấu trúc Au/ống nano TiO2/Au cho thấy đặc trưng nhạy khí vượt trội. Cảm biến khí này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở tại vùng tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn khi có sự tương tác với các khí oxy hóa/khử. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến này có khả năng phát hiện nồng độ khí NO2 ở mức thấp, với độ nhạy cao và thời gian hồi đáp nhanh. Điều này làm cho cảm biến Au/ống nano TiO2/Au trở thành một giải pháp tiềm năng cho việc giám sát chất lượng không khí trong các ứng dụng thực tế.
3.1. Cơ chế nhạy khí
Cơ chế nhạy khí của cảm biến Au/ống nano TiO2/Au liên quan đến sự thay đổi điện trở do sự hấp phụ khí lên bề mặt của ống nano TiO2. Khi khí NO2 được hấp phụ, nó gây ra sự thay đổi trong mật độ điện tử tại bề mặt, dẫn đến sự thay đổi điện trở của cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến này có thể hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ thấp, điều này rất quan trọng cho các ứng dụng trong môi trường thực tế, nơi mà nhiệt độ có thể thay đổi.
