BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN DIỆP KÍNH CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHẠY HƠI VOCs SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON BIẾN TÍNH BỀ MẶT BỞI CÁC HẠT NANO KIM LOẠI QUÝ Chuyên ngành Vật lý chấ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN DIỆP KÍNH CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHẠY HƠI VOCs SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON BIẾN TÍNH BỀ MẶT BỞI CÁC HẠT NANO KIM LOẠI QUÝ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN MINH VƯƠNG LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến người thầy PGS TS Nguyễn Minh Vương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, cổ vũ, động viên tơi suốt trình học tập thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu trường Đại học Quy Nhơn thầy giáo sư, phó giáo sư, tiến sĩ thỉnh giảng ngồi nước tận tình truyền đạt kiến thức chuyên môn mới, chuyên sâu q báu cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu tạo trường Xin cảm ơn người bạn lớp cao học Vật lí chất rắn khóa 23 chia sẻ kiến thức, giúp đỡ tơi q trình học tập Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp trường THPT Hùng Vương đặc biệt người vợ - người cổ vũ, động viên, tạo điều kiện tốt cho suốt trình học tập Luận văn thực khoảng thời gian ngắn nên không tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý chân thành để tơi hồn thành luận văn hồn chỉnh Bình Định, ngày tháng năm 2022 Tác giả Trần Diệp Kính LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn PGS TS Nguyễn Minh Vương thực Phịng thí nghiệm Vật liệu nano 1, Phịng Thí nghiệm Vật liệu nano 2, Phịng Thí nghiệm Nghiên cứu ứng dụng trường Đại học Quy Nhơn Các số liệu, kết nghiên cứu tuyệt đối trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Trần Diệp Kính MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 3 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu cảm biến khí 1.1.1 Khái niệm cảm biến khí 1.1.2 Các đặc trưng cảm biến khí 1.1.3 Cấu tạo cảm biến khí dạng trở hóa 11 1.2 Vật liệu CNTs CNTs biến tính bề mặt 12 1.2.1 Cấu trúc hình thái vật liệu CNT 12 1.2.2 Các tinh chất CNTs 14 1.2.3 Các loại cảm biến dùng CNTs 17 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẪU 19 2.1 Chế tạo cảm biến CNT chức hóa bề mặt 19 2.1.1 Chuẩn bị hóa chất thiết bị chế tạo mẫu 19 2.1.2 Thực 20 2.2 Biến tính bề mặt CNT hạt nano kim loại quý 22 2.2.1 Chuẩn bị 22 2.2.2 Các bước tiến hành 22 2.3 Một số phương pháp khảo sát mẫu 23 2.3.1 Phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) 23 2.3.2 Chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) 23 2.3.3 Phương pháp quang phổ tia X phân tán lượng 24 2.3.4 Phép đo tính chất điện tính chất nhạy VOCs 24 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Tính chất hình thái cấu trúc 27 3.1.1 Kết đo hình thái bề mặt sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27 3.1.2 Kết đo phổ tán sắc lượng tia X (EDS) 30 3.2 Tính chất điện tính chất nhạy VOCs 34 3.2.1 Tính chất điện 34 3.2.2 Tính chất nhạy VOCs 38 3.2.3 Cơ chế tăng độ nhạy cảm biến 45 KẾT LUẬN 47 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt SMOs Semiconductor metal oxides Ơ xít kim loại bán dẫn XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope EDX Energy Dispersive X – ray Phổ nhiễu xạ điện tử tia X Spectroscopy UV-Vis Ultraviolet-Visible Tử ngoại – khả kiến VOCs Volatile Organic Compounds Hợp chất hữu dễ bay SWCNTs Single Wall Carbon Ống nano carbon đơn lớp Nanotubes MWCNTs Multi Wall Carbon Ống nano carbon đa lớp Nanotubes CNT Carbon nanotube Ống nano carbon DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng phân loại tính chất điện CNTs 15 Bảng 3.1 Giá trị độ hồi đáp (%) cảm biến VOCs khác 44 Bảng 3.2 Giá trị độ hồi đáp (%) cảm biến VOCs khác chuẩn hoá với nồng độ 100 ppm 44 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo thiết bị cảm biến…………………………… 11 Hình 1.2 Sơ đồ mơ tả cách graphene lục giác 'cuộn' để tạo thành CNT 13 Hình 1.3 Mơ hình giản đồ (a) ống nano armchair, (b) ống nano zig-zag, (c) ống nano chiral 14 Hình 2.1 Một số hình ảnh thiết bị sử dụng chế tạo mẫu 20 Hình 2.2 Cấu trúc đế cảm biến Al2O3 điện cực Au kiểu lược 22 Hình 2.3 Sơ đồ mơ hệ đo tính chất điện tính chất nhạy khí 25 Hình 3.1 Ảnh SEM đế Al2O3 sử dụng làm đế cảm biến (a) mẫu bột thương mại SWCNTs (b) mẫu SWCNTs xử lý môi trường axit (c) 28 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu SWCNTs/Pd-5 (a b), SWCNTs/Pt-5 (b c) SWCNTs/Au-5 (e f) với độ phóng đại khác 29 Hình 3.3 Sự phân bố nguyên tố C O (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs 30 Hình 3.4 Sự phân bố nguyên tố C, O Pt (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c), nguyên tố Pt (d) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs/Pt-5 31 Hình 3.5 Sự phân bố nguyên tố C, O Pd (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c), nguyên tố Pd (d) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs/Pd-5 32 Hình 3.6 Sự phân bố nguyên tố C, O Pd (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c), nguyên tố Pd (d) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs/Pd-15 32 Hình 3.7 Sự phân bố nguyên tố C, O Au (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c), nguyên tố Au (d) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs/Au-5 33 Hình 3.8 Sự phân bố nguyên tố C, O Au (a), nguyên tố O (b), nguyên tố C (c), nguyên tố Au (d) phổ tán sắc lượng tia X (d) cấu trúc vật liệu SWCNTs/Au-50 33 Hình 3.9 Tính chất I-U cảm biến SWCNTs SWCNTs/Pt-5 36 Hình 3.10 Tính chất I-U cảm biến SWCNTs/Pd-5 SWCNTs/Pd-15 37 Hình 3.11 Tính chất I-U cảm biến SWCNTs/Au-5 SWCNTs/Au-50 38 Hình 3.12 Tính chất hồi đáp ethanol, methanol, toluene, 2-propanol acetone cấu trúc SWCNTs 40 Hình 3.13 Tính chất hồi đáp ethanol, methanol, toluene, 2-propanol acetone cấu trúc SWCNTs/Pt-5 411 Hình 3.14 Tính chất hồi đáp ethanol, methanol, toluene, 2-propanol acetone cấu trúc SWCNTs/Pd-5 411 Hình 3.15 Tính chất hồi đáp methanol, toluene 2-propanol cấu trúc SWCNTs/Pd-15 422 Hình 3.16 Tính chất hồi đáp acetone cấu trúc SWCNTs/Pd-15 422 Hình 3.17 Tính chất hồi đáp acetone, ethanol, methanol, toluene 2propanol cấu trúc SWCNTs/Au-5 433 Hình 3.18 Tính chất hồi đáp ethanol, methanol toluene cấu trúc SWCNTs/Au-50 433 Hình 3.19 Tính chất hồi đáp 2-propanol acetone cấu trúc SWCNTs/Au-50 444 Hình 3.20 So sánh độ hồi đáp cảm biến VOCs khác 455 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong đời sống nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày trở nên nóng bỏng, đặc biệt nhiễm khơng khí Con người hít thở bầu khơng khí có nhiều chất độc hại, có hợp chất hữu nguy hiểm VOCs nhóm chất hữu dễ bay hơi, acetone (C3H6OH), methanol (CH3OH), ethanol (C2H5OH), tolulene (C7H8), isopropanol (C3H8O)… Chúng tồn phổ biến xung quanh chúng ta, song lúc ta nhận biết chúng Các chất hữu nhóm có khả ảnh hưởng đến sức khỏe người ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Nếu tiếp xúc thường xuyên với nồng độ cao thời gian ngắn có khả đau đầu, buồn nơn; thời gian dài có khả gây ung thư Các hợp chất hữu dễ bay môi trường không khí gây tượng “sương mù quang hóa”, Trái Đất nóng lên, thủng tầng Ozon [1] Vì vậy, để bảo vệ sức khỏe người môi trường việc phát nhanh nồng độ nhỏ chất để điều khiển nguồn phát chúng quan trọng Hiện nay, cơng nghệ cảm biến khí nghiên cứu ứng dụng thực tế ngày rộng rãi, đóng vai trị quan trọng việc phát xử lý kịp thời vấn đề nhiễm mơi trường Có nhiều loại cảm biến khí, cảm biến khí dạng trở hóa dựa vật liệu bán dẫn bán dẫn oxit kim loại (SMOs) bán dẫn không thuộc oxit kim loại ống nano carbon (CNTs), graphene,… Nhìn chung, loại cảm biến khí dựa chế nhạy khí vật liệu (SMOs) có cấu trúc nano Mỗi loại cảm biến có ưu điểm nhược điểm định [2] Các cảm biến dạng trở hóa dựa vật liệu bán dẫn ơxít kim loại (SMOs) có cấu trúc nano với ưu điểm: độ nhạy cao, độ đáp ứng nhanh, ... là: ? ?Chế tạo khảo sát tính chất nhạy VOCs sử dụng ống nano carbon biến tính bề mặt hạt nano kim loại quý? ?? nhằm mục đích chế tạo lớp nhạy khí cảm biến có hiệu hoạt động tốt so với cảm biến khí... nghiên cứu - Nghiên cứu biến tính bề mặt ống SWCNTs hạt nano kim loại quý (Pt, Pd Au) - Nghiên cứu ảnh hưởng hạt nano kim loại quý lên tính chất điện SWCNTs - Chế tạo cảm biến VOCs trở hóa hoạt động... phòng ống CNT biến tính kim loại quý Pt, Pd Au Đồng thời định hướng nghiên cứu ảnh hưởng lớp đệm ZnO bề mặt đế lớp nhạy (CNTs /hạt nano kim loại) lên tính chất hồi đáp cảm biến hợp chất dễ bay (VOCs)