Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí NH3 trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. Vật liệu tiền chất P3HT, Graphene, CNT được hòa tan trong dung môi sau đó được trộn cơ học tạo nên tổ hợp vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. P3HT/Graphene/CNT dạng màng được phủ trực tiếp trên đế điện cực lưới ITO bằng phương pháp Drop casting chế tạo linh kiện cảm biến. Kết quả cho thấy cảm biến trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT đáp ứng nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học KHẢO SÁT TÍNH NHẠY KHÍ NH3 TẠI NHIỆT ĐỘ PHỊNG CỦA CẢM BIẾN KHÍ TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI POLY-3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT)/GRAPHENE/CNT Trần Quang Trung, Nguyễn Tố Quyên*, Trần Thị Trà Giang Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: toquyen.har@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí NH3 sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT Vật liệu tiền chất P3HT, Graphene, CNT hòa tan dung mơi sau trộn học tạo nên tổ hợp vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT P3HT/Graphene/CNT dạng màng phủ trực tiếp đế điện cực lưới ITO phương pháp Drop casting chế tạo linh kiện cảm biến Kết cho thấy cảm biến sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT đáp ứng nhạy khí NH3 nhiệt độ phịng Từ khóa: Cảm biến khí NH3, P3HT/Graphene/CNT; vật liệu lai INVESTIGATION OF SENSITIVITY POLY-3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT)/GRAPHENE/CNT HYBRID MATERIALS - BASED SENSORS FOR AMMONIAC GAS SENSORS AT ROOM TEMPERATURE Tran Quang Trung, Nguyen To Quyen*, Tran Thi Tra Giang University of Science, VNU-HCM *Corresponding authour: toquyen.har@gmail.com ABSTRACT Research and manufacture of NH3 gas sensors based on P3HT/Graphene/CNT hybrid materials Precursors of P3HT, Graphene, and CNT were dissolved in the solvent and then mechanically blended to form P3HT/Graphene/CNT hybrid materials The P3HT/Graphene/CNT film is coated directly on the ITO grid electrode base by means of the drop casting method The results show that the sensor based on P3HT/Graphene/CNT hybrids responds to NH3 sensitive at room temperature Keywords: Ammoniac gas sensors, hybrid materials, P3HT/Graphene/CNT TỔNG QUAN Trong năm gần đây, có hai vấn đề mối quan tâm hàng đầu mơi trường vệ sinh an tồn thực phẩm Lượng khí thải độc hại NH3, NO, NO2, có mơi trường bị nhiễm hay sản sinh từ thực phẩm bẩn, ôi thiu, biến chất Lượng khí thải độc hại gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe người Các cảm biến nhạy khí đa số sử dụng vật liệu oxide kim loại có tính bán dẫn Các cảm biến có độ nhạy cao, nhiên chúng cần thời gian dài cho q trình nhạy khí giải hấp; đặc biệt chúng cần nhiệt độ cho trình giải hấp [1] Để giảm nhiệt độ làm việc cảm biến dễ dàng trình sử dụng, cần tìm vật liệu thay vật liệu oxide kim loại đáp ứng yêu cầu đặt có khả hoạt động nhiệt độ phòng Polymer dẫn nhà khoa học chế tạo nghiên cứu nhằm ứng dụng hiệu vào lĩnh vực linh kiện quang điện thay loại bán dẫn vơ [2] Bên cạnh đó, đặc tính tuyệt vời khác chúng chưa quan tâm khả nhạy lọc lựa khí thơng qua gốc (nhóm chức) khác gắn kết chuỗi polymer liên hợp chúng Đối với định hướng nghiên cứu nhạy khí NH3 chúng tơi sử dụng tổ hợp lai P3HT/Graphene/CNT P3HT vật liệu truyền lỗ trống dễ dàng nhận điện tử NH3, P3HT có độ rộng vùng cấm với mức LUMO HOMO tương thích với điện cực phổ biến Al, ITO, dễ dàng thiết kế linh kiện cảm biến lấy tín hiệu CNT (cấu trúc nano Carbon dạng ống) đóng vai trị làm cầu nối dẫn điện cho chuỗi P3HT [3] để khắc phục nhược điểm truyền hạt tải chế hopping 377 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học đại đa số polymer dẫn vật liệu Chuẩn bị dung dịch phủ màng Graphene với cấu trúc nano Carbon dạng mảng giúp CNT phân tán tốt P3HT Trong báo này, chúng tơi hịa tan vật liệu tiền chất với dung mơi thích hợp sau trộn học chúng theo tỉ lệ để tạo tổ hợp lai Từ tổ hợp lai tạo được, phủ màng vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT lên đế điện cực lưới ITO phương pháp Drop casting ủ nhiệt độ 1800C để loại bỏ hoàn toàn dung môi Ảnh chụp SEM phổ XRD cho biết kích thước cấu trúc hình thái học vật liệu tiền chất tổ hợp lai Hệ đo nhạy khí cho phép khảo sát đặc trưng nhạy khí cảm biến sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT Hỗn hợp 10 mg P3HT (Sigma Aldrich) với ml dung môi di-chlorobenzene đánh siêu âm giờ, thu dung dịch có màu cam sáng suốt với nồng độ 5mg/ml Hỗn hợp 50mg CNT (ϕ = 20nm, Sigma Aldrich) với 10ml dung môi NMP đánh siêu âm giờ, thu dung dịch màu đen trạng thái huyền phù với nồng độ 5mg/ml Để tạo dung dịch Graphene, sử dụng phương pháp phân tách pha lỏng [6] Hỗn hợp 3g Graphite tách lớp trộn với 100ml dung môi NMP đánh siêu âm 36 Lọc thu hồi 0,5g bột Graphite không phân tán dung môi NMP thu dung dịch Graphene màu vàng với nồng độ 25mg/ml VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Hình Điện cực lưới ITO Đế thủy tinh phủ ITO dày 1mm cắt với đều, xen lẫn kết tập P3HT kích thước 15mm x 15mm Hệ thống điện nhỏ vào khoảng 100 nm phân bố bề cực lưới (6 thanh) giao với khoảng cách mặt không ảnh hưởng đến cấu trúc mm trìn h bày hình Nâng tổ hợp lai (dây CNT có độ dài vài chục nhiệt cho đế phút, sau tiến hành micro) Ảnh SEM cấu trúc CNT (Hình phủ dung dịch lên đế phương pháp 2b) chứng tỏ màng CNT ủ nhiệt Drop casting ủ trở lại lò với nhiệt độ độ 1800C hồn tồn khơng làm sai hỏng cấu 1800C 30 phút Quá trình ủ nhiệt làm trúc hình thái vật liệu CNT bay hết dung môi tạo cấu trúc mong Ảnh SEM Graphene chế tạo từ dung muốn, màng có độ dẫn tốt, ổn định dịch Graphene dung mơi NMP ủ nhiệt Sau khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt 1800C cho thấy mảng tách mỏng chúng thông qua ảnh SEM phổ XRD minh chứng tính hiệu phương pháp Khảo sát khả nhạy khí chúng phân tách pha lỏng tách lớp Graphene (Hình hệ đo nhạy khí kín kết nối với máy tính 2c) Ảnh SEM minh họa cho thấy tổ hợp lai P3HT/CNT (Hình 2d) khơng có phân tán tốt tổ hợp P3HT/Graphene/CNT (Hình KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Ảnh SEM (Hình 2a) mẫu P3HT ủ 2e) nhiệt 1800C cho thấy màng hình thành 378 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình Ảnh SEM màng P3HT (a), CNT (b), Graphene (c), P3HT/CNT (d) P3HT/Graphene/CNT (e) Bảng Thống kê độ nhạy khí lưu lượng 10 sccm cảm biến P3HT/CNT L.lượng (sccm) 10 Độ nhạy (%) 1,62 II: (15µl) P3HT=33,6µg CNT=26,4µg 10 2,76 III: (20µl) P3HT=44,8µg CNT=35,2µg 10 0,67 Mẫu I: (10µl) P3HT=22,4µg CNT=17,6µg Dung dịch 0,5ml P3HT (4mg/ml) + 0,4ml CNT (5mg/ml) Bảng thấy khả nhạy khí cảm biến tổ hợp lai P3HT/CNT cho độ nhạy tốt mẫu cảm biến II với độ nhạy 2,76% Khi độ dày màng vật liệu lai cảm biến tăng lên (mẫu III) độ nhạy giảm xuống đáng kể, độ nhạy mẫu đạt 0,67% Như mẫu tổ hợp lai P3HT/CNT đạt hiệu cao có độ dày màng thích hợp Theo chúng tôi, mẫu mỏng với phân bố khơng đồng CNT ma trận P3HT xảy trường hợp nhiều vị trí khơng điền đầy CNT để làm cầu nối dẫn điện cho P3HT, dẫn đến hạt tải thu từ trao đổi điện tích P3HT với khí thử khơng truyền điện cực từ dẫn đến độ nhạy giảm Ngược lại, mẫu dày lượng CNT chồng chập nhiều khơng có phân tán tốt gây tượng bẫy hạt tải, hệ độ nhạy giảm đáng kể Hình Đồ thị nhạy khí NH3 cảm biến P3HT/CNT (II) theo lưu lượng khí thử thay đổi 379 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng Thống kê độ nhạy khí lưu lượng 10 sccm cảm biến P3HT/Graphene/CNT Mẫu L.lượng (sccm) Độ nhạy (%) IIa: P3HT=CNT= 10 20,1 µg Dung dịch Gra = 100 µg 0,5ml P3HT IIb: (4 mg/ml) P3HT=CNT= 10 +0,4ml CNT 20,1µg (5mg/ml) Gra = 150 µg +Graphene IIc: (25mg/m) P3HT=CNT= 10 20,1 µg Gra = 200 µg Kết thu đồ thị nhạy khí theo lưu lượng thay đổi (Hình 3) chứng minh rõ nét đáp ứng cảm biến với lưu lượng khí thay đổi Đáp ứng tăng/giảm độ nhạy lưu lượng khí thử tăng/giảm giải hấp gần hoàn toàn sau thời gian giải hấp 70 giây không đổi chu kỳ cho thấy khả giải hấp tốt vật liệu lai P3HT/CNT ứng dụng làm vật liệu nhạy khí Bảng cho thấy hàm lượng Graphene cho vừa đủ (trung bình) độ nhạy khí cảm biến cao (mẫu IIb) Theo chúng tôi, hàm lượng Graphene khơng bao bọc hết CNT dẫn đến tượng phân tán CNT ma trận P3HT không cao, nên độ nhạy thấp Ngược 2,28 3,03 2,07 lại, hàm lượng Graphene nhiều CNT bọc nhiều lớp Graphene dẫn đến độ phân tán tốt lại cản trở vai trò cầu nối CNT ma trận P3HT, điều dẫn đến độ nhạy khí thấp Kết thu đồ thị nhạy khí theo lưu lượng thay đổi đường màu đỏ (Hình 4) chứng minh rõ nét đáp ứng cảm biến với lưu lượng khí thay đổi Đáp ứng tăng giảm độ nhạy lưu lượng khí thử tăng giảm dần giải hấp gần hoàn toàn sau thời gian giải hấp 70 giây không đổi chu kỳ cho thấy khả giải hấp tốt vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT ứng dụng vào làm vật liệu nhạy khí Hình Đồ thị nhạy khí P3HT/CNT P3HT/Graphene/CNT theo lưu lượng khí thử thay đổi 380 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Khi so sánh trực tiếp khả đáp ứng nhạy khí hai tổ hợp lai theo lưu lượng khí thử thay đổi (Hình 4), chúng tơi nhận thấy vượt trội tính đáp ứng khả hồi phục tổ hợp lai P3HT/Graphene/CNT so với tổ hợp lai P3HT/CNT KẾT LUẬN Chế tạo cảm biến khí sở vật liệu lai điện cực lưới ITO khảo sát khả nhạy khí NH3 chúng, thu kết sau: Cảm biến khí sở tổ hợp vật liệu lai P3HT/CNT: cảm biến có khả phát NH3 với lưu lượng khí thử thấp hệ đo 10sccm (tương ứng nồng độ 5ppm) với độ nhạy 2,76% Khả đáp ứng cảm biến lưu lượng khí thử thay đổi (tăng/giảm) 20sccm 0,28% Cảm biến khí sở tổ hợp vật liệu lai Kỷ yếu khoa học P3HT/Graphene/CNT nhạy khí NH3 cao so với tổ hợp lai P3HT/CNT Cụ thể, khả đáp ứng tăng lên hai lần so với tổ hợp lai P3HT/CNT Cảm biến có khả phát NH3 với lưu lượng khí thử thấp hệ đo (10sccm) với độ nhạy 3,03% Khả đáp ứng cảm biến lưu lượng khí thử thay đổi (tăng/giảm) 20sccm 0,57% Độ nhạy khí cảm biến sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT P3HT/CNT nghiên cứu đề tài chưa cao tính đáp ứng lưu lượng khí thử thay đổi (tăng/giảm) tốt kết thu bước đầu đầy hứa hẹn cho việc ứng dụng tổ hợp lai P3HT/Graphene/CNT làm cảm biến khí thực tiễn nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO NGUYỄN QUANG LỊCH, NGUYỄN CÔNG TÚ, LÝ TUẤN ANH, TRẦN PHÚC THÀNH, PHAN QUỐC PHÔ, NGUYỄN HỮU LÂM, “Khảo sát tính nhạy khí NH3 chọn lọc nhiệt độ phịng sử dụng cảm biến sở ống nano cacbon đa thành”, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, Tập 15, Số K2- 2012 TRƯƠNG VĂN TÂN, “Vật liệu tiên tiến - Từ Polymer dẫn điện đến ống than Nano”, NXB Trẻ, 2007 381 ... Chế tạo cảm biến khí sở vật liệu lai điện cực lưới ITO khảo sát khả nhạy khí NH3 chúng, thu kết sau: Cảm biến khí sở tổ hợp vật liệu lai P3HT/CNT: cảm biến có khả phát NH3 với lưu lượng khí thử... thấy khả nhạy khí cảm biến tổ hợp lai P3HT/CNT cho độ nhạy tốt mẫu cảm biến II với độ nhạy 2,76% Khi độ dày màng vật liệu lai cảm biến tăng lên (mẫu III) độ nhạy giảm xuống đáng kể, độ nhạy mẫu... ứng nồng độ 5ppm) với độ nhạy 2,76% Khả đáp ứng cảm biến lưu lượng khí thử thay đổi (tăng/giảm) 20sccm 0,28% Cảm biến khí sở tổ hợp vật liệu lai Kỷ yếu khoa học P3HT/Graphene/CNT nhạy khí NH3 cao