Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí Hydrơ sở nano-tinh thể ZnO pha tạp Pd Giang Hồng Thái Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật liệu linh kiện nano Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Ngọc Toàn Năm bảo vệ: 2010 Abstract: Tìm hiểu tài liệu vật liệu cảm biến khí hyđrơ Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vật liệu khảo sát tính chất vật liệu Chế tạo cảm biến khí hyđrơ đo đạc đặc trưng nhạy khí cảm biến Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo khí hyđrơ phát triển ứng dụng thiết bị Keywords: Vật liệu Nano; Khí Hiđrơ; Cảm biến Content MỞ ĐẦU Trước nguy cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch chủ yếu dầu, khí, than đá, đầu kỷ 20, người tìm nguồn lượng mới, vô tận thân thiện với mơi trường Hyđrơ loại khí có nhiệt lượng cháy cao đơn vị khối lượng: 120,7 MJ/kg[1] Phản ứng đốt cháy hyđrô làm nhiên liệu sinh nhiệt lượng với nhiệt độ cao nước Do sử dụng hyđrơ khơng tạo khí nhà kính khơng phá hoại vòng ln chuyển nước thiên nhiên Hyđrô nguồn nhiên liệu lý tưởng, tiềm chuyển đổi thành điện tế bào pin nhiên liệu Hyđrô ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp hóa học, luyện kim, thực phẩm, công nghệ vũ trụ, khu công nghiệp, phòng thí nghiệm đời sống Tuy nhiên mối quan tâm an tồn sử dụng, khó khăn xử lý, lưu trữ vận chuyển ngăn cản hyđrơ trở thành nguồn lượng Vì an toàn yếu tố hàng đầu cho kinh tế hyđrô, nên phát triển thiết bị ứng dụng để kiểm soát, điều khiển cảnh báo sớm cố q trình sử dụng khí hyđrơ có vai trò quan quan trọng Ở trạng thái tự điều kiện bình thường, hyđrơ khí khơng màu, khơng mùi khơng vị, tỷ trọng hyđrô 1/14 tỷ trọng không khí Hyđrơ thường tồn dạng liên kết với nguyên tố khác oxy nước, cacbon khí mêtan hợp chất hữu khác Do hyđrơ có hoạt tính hóa học mạnh nên thấy hyđrô tồn nguyên tố riêng rẽ Giới hạn cháy nổ hyđrô rộng (từ 4% đến 75% thể tích khơng khí), sử dụng khí hyđrô tiềm ẩn nguy gây cháy nổ cao Khi hyđrơ cháy, mang mối nguy hiểm tiềm ẩn lửa khơng thể nhận thấy mắt thường, lan mà người ta nhận biết để cảnh báo Ở nồng độ cao, khí hyđrơ gây ngạt cho người Mặc dù có tầm quan trọng khả ứng dụng rộng lớn Nhưng Việt nam chưa có sở có khả cung cấp loại thiết bị, cảm biến nhằm phát đo đạc nồng độ khí hyđrơ Phần lớn thiết bị, cảm biến kiểm sốt môi trường phải nhập ngoại với giá cao Nếu chế tạo nước làm giảm đáng kể giá thành thiết bị, dễ dàng sửa chữa thay thế, tăng khả phổ cập thiết bị đời sống Đây vấn đề quan tâm nghiên cứu thu nhiều thành công năm gần Phòng thí nghiệm Cảm biến Thiết bị đo khí, Viện Khoa học Vật liệu Trong nhiều loại cảm biến hyđrô, cảm biến chế tạo từ vật liệu bán dẫn oxit kim loại sử dụng nhiều công nghệ chế tạo đơn giản, dễ chế tạo quy mô nhỏ tuổi thọ cao Ngoài vật liệu quen thuộc SnO2, WO3, Fe2O3…vật liệu ZnO quan tâm đặc biệt cho ứng dụng chế tạo cảm biến nhạy khí hyđrơ nhờ có tính chất nhạy khí tốt tính chọn lọc cao khí hyđrơ Hơn nữa, vật liệu ZnO dễ tổng hợp phương pháp khác nhau, phương pháp gốm truyền thống, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp thủy phân… Khi pha tạp nồng độ thích hợp với kim loại quý Pt, Pd, Ru vật liệu thể nhiều tính chất đáng quý cải thiện đáng kể độ nhạy tính chọn lọc khí hyđrơ Do tính cấp thiết nhu cầu ứng dụng thực tế, đề tài nghiên cứu luận văn lựa chọn là: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí hyđrơ sở nano tinh thể ZnO pha tạp Pd” Mục tiêu đề tài chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Pd với kích thước nano mét ứng dụng cảm biến hyđrơ Trên sở đó, nhiệm vụ nghiên cứu đặt luận văn là: - Tìm hiểu tài liệu vật liệu cảm biến khí hyđrô - Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu khảo sát tính chất vật liệu - Chế tạo cảm biến khí hyđrơ đo đạc đặc trưng nhạy khí cảm biến - Chế tạo thử nghiệm thiết bị đo khí hyđrơ phát triển ứng dụng thiết bị Cấu trúc luận văn bao gồm phần: Mở đầu: Trình bày sở thực tiễn khoa học đề tài, từ xác định mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Chương 1: Giới thiệu chung phương pháp phân tích, loại cảm biến, vật liệu nhạy khí hyđrơ Chương 2: Giới thiệu phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu như: cấu trúc tinh thể, hình thái học bề mặt phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu Chương 3: Trình bày kết nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu, chế tạo cảm biến đo đạc đặc trưng nhạy khí hyđrơ Chương 4: Trình bày thiết bị đo khí hyđrơ chế tạo thử nghiệm phòng thí nghiệm (thiết bị mẫu) triển vọng phát triển ứng dụng Kết luận: Các kết đạt luận văn Cuối tài liệu tham khảo sử dụng luận văn References Gupta, R.B, Hydrogen fuel: production, transport, and storage 2009, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742 Hysafe, Bienal report: Hydrogen barriers and safe measures 2006 Josef Gerblinger, U.H, Hans Meixner, Accurate sensors offering unrestricted recalibration and long-term stability for determining high temperatures on the basis of gas-sensitive effects of different gases on metal oxides, Sensors and Actuators B, 1996 (34) p 224-228 Ahsanulhaq Qurashi, E.M, Toshinari Yamazaki, Toshio Kikuta, Catalyst supported growth of In2O3 nanostructures and their hydrogen gas sensing properties, in Sensors and Actuators 2010 p 48-54 C.A Papadopoulos, D.S.V, J.N Avaritsiotis, Comparative study of various metaloxide-based gas-sensor architectures, Sensors and Actuators B, 1996 (32), p 61-69 S Capone, A.F, L Francioso, R Rella, P Siciliano, J Spadavecchia, D S Presicce, A M Taurino, Solid state gas senssors: state of the art and future activities, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 2003 (5), p 1335 - 1348 Feng-Cang Lin, Y.T, Yasuhiro Shimizu, Makoto Egashira, Hydrogen-sensing mechanism of zinc oxide varistor gas sensors, Sensors and Actuators B, 1995 (24), p 843 - 820 A Damico, A.P., E Verona, Surface acoustic wave hydrogen sensors Sensors and Actuators, 1983 (3), p 31-39 E.C Walter, F.F., E.J Menke, R.M Penner, Palladium nanowire array for fasst hydrogen sensors and hydrogen actuated switches, Fuel Chemistry Division Preprints 2002 47 (2): p 828 10 Hill, P.H.a.W, The Art of Electronics 1989, Cambridge University Press: New York 11 Elena Aprile, A.E.B., Alexander I Bolozdynya, Tadayoshi Doke, Noble Gas Detectors 2006, Ann Arbor, Michigan: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA 12 Comini, E., Solid State Gas Sensing, ed G.F Elisabetta Comini, Giorgio Sberveglieri 2009 13 Hereec, F.L, Solid state chemical electronics, in Georgia Institute of technology 2003 14 MORRISON, S.R., SELECTIVITY IN SEMICONDUCTOR GAS SENSORS Sensors and Actuators, 1987 (12), p 425 - 440 15 Arbiol, J., Metal Additive Distribution in TiO2 and SnO2 Semiconductor Gas Sensor Nanostructured materilas, in Facultat de Física, Departament d’Electrònica 2001, University de Barcelona: Barcelona 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 N Jayadev Dayan, S.R.S., R.N Karekar, R.C Aiyer, Formulation and characterization of ZnO:Sb thick-film gas sensors Thin Solid Films 1998 (325), p 254 - 258 Aroutiounian, V., Metal oxide hydrogen, oxygen, and carbon monoxide sensors for hydrogen setups and cells International Journal of Hydrogen Energy, 2007 (32), p 1145–1158 Korotcenkov, G., Metal oxides for solid-state gas sensors: What determines our choice? Materials Science and Engineering B, 2007 (139), p 1-23 G.J Li, X.H.Z., S Kawi, Relationships between sensitivity, catalytic activity, and surface areas of SnO2 gas sensors, Sensors and Actuators B, 1999 (60), p 64-70 Zhang Tianshu, P.H., Yang Li, Zhang Jiancheng, Selective detection of ethanol vapor and hydrogen using Cd-doped SnO2 based sensors Sensors and Actuators B, 1999 60: p 208-215 Marta Radecka, K.Z., Mieczysław Rekas, SnO2 –TiO2 solid solutions for gas sensors Sensors and Actuators B 1998 47: p 194-204 K D SCHIERBAUM, U.K.K., J F GEIGER, W GdPEL Schottky-harrier and Conductivity Gas Sensors Based upon Pd/SnO2 and Pt/TiO2 Sensors and Actuators B, 1991 4: p 87-94 Xiaohua Zhou, Y.X., Quanxi Cao, Suyan Niu Metal-semiconductor ohmic contact of SnO2 based ceramic gas sensors Sensors and Actuators B 1997 41: p 163-167 Kenji Wada, M.E., Hydrogen sensing properties of SnO2 subjected to surface chemical modification with ethoxysilanes Sensors and Actuators B 2000 62: p 211219 A Katsuki, K.F., H2 selective gas sensor based on SnO2 Sensors and Actuators B 1998 52: p 30-37 W.K Choi, S.K.S., J.S Cho, Y.S Yoon, D Choi, H.-J Jung, S.K Koh H2 gassensing characteristics of SnOx sensors fabricated by a reactive ion-assisted deposition with/ without an activator layer Sensors and Actuators B, 1997 40: p 21-27 L.C Tien, D.P.N., B.P Gila, S.J Pearton, Hung-Ta Wang, B.S Kang, F Ren, Detection of hydrogen with SnO2-coated ZnO nanorods Applied Surface Science 2007 253: p 4748–4752 S Shukla, S.S., L Ludwig, C Parish, Nanocrystalline indium oxide-doped tin oxide thin film as low temperature hydrogen sensor Sensors and Actuators B 2004 97: p 256-265 G.N Chaudhari, A.M.B., A.B Bodade, S.S Patil, V.S Sapkal Structural and gas sensing properties of nanocrystalline TiO2:WO3-based hydrogen sensors, in Sensors and Actuators B 2006 p 297-302 V.M Aroutiounian, V.M.A., V.E Galstyan, Kh.S Martirosyan, P.G Soukiassian, Manufacture and investigation of hydrogen sensitive TiO2-x or ZnO film-porous silicon devices Armenian Journal of Physics, 2008 1(3): p 219-226 31 Y Shimizu, N.K., T Hyodo, M Egashira, High H2 sensing performance of anodically oxidized TiO2 film contacted with Pd, in Sensors and Actuators B 2002 p 195-201 32 I Hayakawa, Y.I., K Kikuta, S Hirano Gas sensing properties of platinum dispersedTiO2 thin film derived from precursor Sensors and Actuators B, 2000 62: p 55-60 33 Kazuhiro Hara, N.N., H2 sensors using Fe2O3 based thin film Sensors and Actaofors B, 1994 20: p 181-186 34 Fujishima, ZnO-Pd composite catalyst and production method thereof 2000 35 P Mitra, A.P.C., H.S Maiti ZnO thin film sensor Materials Letters 1998 35: p 3338 36 MacManus-Driscoll, L.S.-M.a.J.L., ZnO – nanostructures, defects, and devices Materials today 2007 10(5) 37 Chennupati Jagadish, S.P., Zinc oxxide - bulk, thin films and nanostructure 2006 38 !!! INVALID CITATION !!! 39 N.H Al-Hardan, M.J.A., A Abdul Aziz, Sensing mechanism of hydrogen gas sensor based on RF-sputtered ZnO thin films international Journal of Hydrogen Energy, 2010 35: p 4428-4434 40 Jiaqiang Xu, Y.a.S., Qingyi Pan, Jianhua Qin Sensing characteristics of double layer film of ZnO Sensors and Actuators B, 2000 66: p 161-163 41 O Lupan, V.V.U., G Chai, L Chow, G.A Emelchenko, I.M Tiginyanu, A.N Gruzintsev, A.N Redkin, Selective hydrogen gas nanosensor using individual ZnO nanowire with fast response at room temperature Sensors and Actuators B, 2009 42 S Basu, A.D., Room-temperature hydrogen sensors based on ZnO Materials Chemistry and Physics, 1997 47: p 93-96 43 S J Gentry, T.A.J., The role of catalysis in solid state gas sensors, in Sensors and Actuators 1986 p 141-163 44 Min, Y., Properties and Sensor Performance of Zinc Oxide Thin Films 2003, Massachusetts Institute of Technology 45 J Kanungo, H.S., S Basu, Pd sensitized porous silicon hydrogen sensor—Influence of ZnO thin film Sensors and Actuators B: Chemiacl, 2010 147: p 128-136 46 Ren, F., Novel ZnO Nanorod Hydrogen Gas Sensors in NASA/CP 2008 47 Oleg Lupan, G., Lee Chow, Novel hydrogen gas sensor based on single ZnO nanorod Microelectronic Engineering 2008 85: p 2220–2225 48 S Basu, A.D., Modified heterojunction based on zinc oxide thin film for hydrogen gas-sensor application Sensors and Actuators B 1994 22: p 83-87 49 Ngqondo, S.T., Hydrothermally grown Pb2+ doped ZnO nanorods for hydrogen and acetylene gas sensing in Department of Physics, University of Zululand 2008, Department of Physics, University of Zululand 50 Saranya Sathananthan, V.P.D., Shan-Wei Fan Hydrogen-Sensing Characteristics of Palladium-Doped Zinc-Oxide Nanostructure Nanoscape 2009 6(1) 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 H T Wang, B.S.K., and F Ren, L C Tien, P W Sadik, D P Norton, and S J Pearton, Jenshan Lin, Hydrogen-selective sensing at room temperature with ZnO nanorods APPLIED PHYSICS LETTERS, 2005 86 Chandra Sekhar Rout, A.R.R., A Govindaraj, C.N.R Rao, Hydrogen sensors based on ZnO nanoparticles Solid State Communications, 2006 138: p 136 - 138 B.S kang, y.w.h., l.c tien, d.p norton, f ren, b.p gila, s.j pearton, Hydrogen and ozone gas sensing using multiple ZnO nanorods Applied physics A, 2005 80: p 1029 - 1032 Chandra Sekhar Rout, S.H.K., S.R.C Vivekchand, A Govindaraj, C.N.R Rao, Hydrogen and ethanol sensors based on ZnO nanorods, nanowires and nanotubes Chemical Physics Letters 2006 418: p 586–590 N Al-Hardan, M.J.A., A Abdul Aziz, The gas response enhancement from ZnO film for H2 gas detection Applied Surface Science, 2009 255: p 7794–7797 Oleg Lupan, G.C., Lee Chow, Fabrication of ZnO nanorod-based hydrogen gas nanosensor Microelectronics Journal 2007 38: p 1211 - 1216 H.T wang, b.s.k., f ren, l.c tien, p.w sadik, d.p norton, s.j pearton, j lin, Detection of hydrogen at room temperature with catalyst-coated multiple ZnO nanorods Applied physics A, 2005 81: p 1117-1119 W J Moon, J.H.Y., G M Choi, The CO and H2 gas selectivity of CuO - doped SnO2 - ZnO, in Sensors and Actuators B 2002 p 464-470 Seymen Aygun, D.C., Hydrogen sensitivity of doped CuO/ZnO heterocontact sensors Sensors and Actuators B, 2005 106: p 837–842 Zeng Wen, L.T.-m., Hydrogen sensing characteristics and mechanism of nanosize TiO2 dope with metallic ions Physica B, 2010 405: p 564–568 Masahiko Matsumiya, W.S., Noriya Izu, Norimitsu Murayama, Nano-structured thinfilm Pt catalyst for thermoelectric hydrogen gas sensor Sensors and Actuators B, 2003 93: p 309-315 Jiaqiang Xu, Q.P., Yu’an Shun, Zhizhuang Tian Grain size control and gas sensing properties of ZnO gas sensor, in Sensors and Actuators B 2000 p 277-279 Somayeh Fardindoost, A.I.z., Fereshteh Rahimi, Roghayeh Ghasempour, Pd doped WO3 films prepared by sol–gel process for hydrogen sensing international journal of hydrogen energy, 2009: p 1-7 Development of a Thick Film Gas Sensor for Oxygen Detection at Trace Levels thesis of Ph.D, 2006 A R Raju, C.N.R.R., Gas-sensing characteristics of ZnO and copper impregnated ZnO Sensors and Actuators B, 1991 3: p 305-310 N Sawaguchi, W.S., N Izu, I Matsubara, N Murayama, Enhanced hydrogen selectivity of thermoelectric gas sensor by modification of platinum catalyst surface Materials Letters 2006 60: p 313-316 Woosuck Shin, K.T., Yeongsoo Choi, Noriya Izu,Ichiro Matsubara, Norimitsu Murayama, Planar catalytic combustor film for thermoelectric hydrogen sensor Sensors and Actuators B, 2005 108: p 455-460 68 69 70 71 72 73 74 Manami Katsuno, J.S., Effect of catalyst on detection characteristics of semiconducting oxide odor sensors 2005: Fukui university of technology S ROY, S.B., Improved zinc oxide film for gas sensor applications Bull Mater Sci.,, 2002 25(6): p 513-515 B Bott, T.A.J.a.B.M., The detection and measurement of CO using ZnO single crystals Sensors and Actuators, , 1984 5: p 65 - 73 L.F Dong, Z.L.C., Z.K Zhang Gas sensing properties of nano ZnO prepared by arc plasma methods nanostructured materials, 1997 8(7): p 815-823 Ozgur, H.M.a.U., Zinc Oxide: Fundamentals, Materials and Device Technology 2007 V.N Mlshra, R.P.A., Thick film hydrogen sensor Sensors and Actuators B, 1994 21: p 209 - 212 V.V Malyshev, A.V.P., Investigation of gas-sensitivity of sensor structures to hydrogen in a wide range of temperature, concentration and humidity of gas medium Sensors and Actuators B 2008 134: p 913-921 ... nghiên cứu luận văn lựa chọn là: Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí hyđrơ sở nano tinh thể ZnO pha tạp Pd Mục tiêu đề tài chế tạo vật liệu ZnO pha tạp Pd với kích thước nano mét ứng dụng cảm biến. .. hyđrơ Trên sở đó, nhiệm vụ nghiên cứu đặt luận văn là: - Tìm hiểu tài liệu vật liệu cảm biến khí hyđrơ - Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu khảo sát tính chất vật liệu - Chế tạo cảm biến khí. .. liệu Chương 3: Trình bày kết nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu, chế tạo cảm biến đo đạc đặc trưng nhạy khí hyđrơ Chương 4: Trình bày thiết bị đo khí hyđrơ chế tạo thử nghiệm phòng thí nghiệm