Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano ứng dụng trong cảm biến khí

• Tác giả: Trần Ngọc Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Vương
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu ZnFe2O4/ZnO Cấu Trúc Nano Ứng Dụng Làm Lớp Nhạy Trong Cảm Biến Khí
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lí do chọn đề tài
• 0.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
• 0.3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN KHÍ
• 1.1.1. Cảm biến
• 1.2. Cảm biến khí
• 1.3. CẢM BIẾN KHÍ DẠNG TRỞ HÓA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs
• 1.3.1. Vật liêụ SMOs trong cảm biến khí dạng trở hóa
• 1.3.2. Cấu trúc của cảm biến khí dạng trở hóa
• 1.3.3. Các thông số đặc trưng của cảm biến khí
• 1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của cảm biến
• 1.4. CƠ CHẾ NHẠY KHÍ CỦA CẢM BIẾN TRỞ HÓA DỰA TRÊN VẬT LIỆU SMOs
• 1.4.1. Một số khái niệm liên quan đến hấp phụ
• 1.4.2. Hấp phụ oxy trên bề mặt chất bán dẫn oxit kim loại và cơ chế nhạy khí
• 1.5. HAI PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ CỦA CẢM BIẾN
• 1.5.1. Phương pháp đo tĩnh
• 1.5.2. Phương pháp đo động
• 1.6. HỢP CHẤT HỮU CƠ DỄ BAY HƠI (VOCs)
• 1.6.1. Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs)
• 1.6.2. Một số hợp chất hữu cơ dễ bay hơi tồn tại phổ biến trong môi trường
• 1.7. VẬT LIỆU ZnO VÀ VAI TRÒ CỦA HẠT NANO ZnFe2O4 trên ZnO
• 1.7.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu ZnO
• 1.7.2. Vật liệu ZnFe2O4 và vai trò của hạt nano ZnFe2O4 trên bề mặt ZnO
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.1. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ chế tạo mẫu
• 2.1.2. Biến tính bề mặt hạt nano ZnO bởi các hạt ZnFe2O4
• 2.1.3. Chuẩn bị cảm biến ZnFe2O4/ZnO
• 2.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.2.1. Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.2. Phổ hấp thụ UV – Vis
• 2.2.3. Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.4. Hệ khảo sát tính chất nhạy hơi VOCs
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC VẬT LIỆU
• 3.1.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.1.2. Kết quả đo phổ hấp thụ UV– Vis
• 3.1.3. Kết quả đo SEM
• 3.2. KẾT QUẢ ĐO NHẠY HƠI VOCs
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc lên tính chất hồi đáp hơi ethanol của cảm biến ZnO và ZnFe2O4/ZnO
• 3.2.2. Tính chất hồi đáp bức xạ UV-254nm của cảm biến ZnO và ZnFe2O4/ZnO
• 3.2.3. Ảnh hưởng của bức xạ UV-254nm lên tính chất hồi đáp hơi ethanol của cảm biến ZnO và ZnFe2O4/ZnO
• 3.2.4. Tính chất hồi đáp của cảm biến ZnFe2O4/ZnO đối với các hợp chất dễ bay hơi khác nhau dưới sự chiếu xạ UV-254nm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu ZnFe2O4 ZnO nano

Vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano đang được nghiên cứu rộng rãi nhờ các tính chất điện và tính chất hóa học đặc biệt. ZnO là một oxit kim loại bán dẫn loại n, có độ rộng vùng cấm khoảng 3.37 eV, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là cảm biến khí. ZnFe2O4 là một oxit bán dẫn ternary, có cấu trúc spinel, mang lại khả năng xúc tác bề mặt cao. Khi kết hợp hai vật liệu này ở cấp độ nano, hiệu suất của cảm biến khí được cải thiện đáng kể nhờ sự tăng cường diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ khí.

1.1. Cấu trúc và tính chất của ZnO

ZnO có cấu trúc tinh thể dạng wurtzite, với độ linh động điện tử cao và ổn định nhiệt tốt. Các tính chất điện của ZnO làm nó trở thành vật liệu lý tưởng cho cảm biến khí. Khi được chế tạo ở kích thước nano, ZnO có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng tương tác với các phân tử khí, từ đó nâng cao độ nhạy của cảm biến.

1.2. Vai trò của ZnFe2O4 trong cấu trúc nano

ZnFe2O4 được biết đến với khả năng xúc tác bề mặt mạnh, giúp tăng cường quá trình hấp phụ và phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu. Khi kết hợp với ZnO, ZnFe2O4 tạo ra các vị trí phản ứng bề mặt mới, cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của cảm biến khí. Ngoài ra, sự hình thành thế tiếp xúc giữa hai vật liệu cũng góp phần tăng cường hiệu suất cảm biến.

II. Ứng dụng của ZnFe2O4 ZnO nano trong cảm biến khí

Vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano được ứng dụng rộng rãi trong các loại cảm biến khí, bao gồm cảm biến khí độc, cảm biến khí môi trường, và cảm biến khí thông minh. Nhờ các tính chất điện và tính chất hóa học ưu việt, vật liệu này có khả năng phát hiện các khí độc như CO, NOx, và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) với độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh.

2.1. Cảm biến khí độc

Cảm biến khí độc sử dụng ZnFe2O4-ZnO nano có khả năng phát hiện các khí độc hại như CO và NOx ở nồng độ thấp. Nhờ cấu trúc nano, vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng hấp phụ khí và cải thiện độ nhạy của cảm biến. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường.

2.2. Cảm biến khí môi trường

Trong cảm biến khí môi trường, ZnFe2O4-ZnO nano được sử dụng để phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) như ethanol, acetone, và toluene. Vật liệu này có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ của cảm biến. Điều này làm nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống giám sát môi trường.

III. Phương pháp chế tạo và khảo sát vật liệu

Quá trình chế tạo vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano bao gồm các bước tổng hợp và biến tính bề mặt. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ UV-Vis, và hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc đồng nhất và các tính chất điện ưu việt, phù hợp cho ứng dụng trong cảm biến khí.

3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu

Vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, kết hợp với quá trình biến tính bề mặt để tăng cường khả năng xúc tác. Các thông số như nhiệt độ, thời gian phản ứng, và tỷ lệ các tiền chất được điều chỉnh để đạt được cấu trúc nano tối ưu.

3.2. Khảo sát tính chất vật liệu

Các phương pháp như XRD, UV-Vis, và SEM được sử dụng để khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có cấu trúc đồng nhất, kích thước hạt nano, và các tính chất điện phù hợp cho ứng dụng trong cảm biến khí.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano có độ nhạy cao với các khí độc và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Vật liệu này cũng thể hiện khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ thấp, giảm tiêu thụ năng lượng và tăng tuổi thọ của cảm biến khí. Các kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống giám sát môi trường và công nghiệp.

4.1. Độ nhạy của cảm biến

Vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano thể hiện độ nhạy cao với các khí độc như CO và NOx, cũng như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như ethanol và acetone. Điều này được chứng minh qua các thí nghiệm đo độ hồi đáp của cảm biến ở các điều kiện nhiệt độ và nồng độ khí khác nhau.

4.2. Ứng dụng thực tế

Nhờ các tính chất điện và tính chất hóa học ưu việt, vật liệu ZnFe2O4-ZnO nano được ứng dụng trong các hệ thống cảm biến khí thông minh và cảm biến khí an toàn. Các ứng dụng này bao gồm giám sát môi trường, phát hiện khí độc trong công nghiệp, và kiểm soát chất lượng không khí trong các tòa nhà.