Nghiên cứu chế tạo sợi nano zno nhằm ứng dụng cho cảm biến khí h2s

2 Cấu tạo chung của một hệ cảm biến khí dựa trên sự thay đổi độ dẫn của vật liệu nano ôxít kim loại Hình 1.. 2 Cấu tạo chung của một hệ cảm biến khí dựa trên sự thay đổi độ dẫn của vật

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trongcông trình này là thành quả nghiên cứu của bản thân tác giả Các số liệu, kếtquả trong công trình là chính xác và trung thực, chưa từng xuất hiện trongcông bố của các tác giả khác

Phù Cát, ngày …… tháng …… năm 2019

Người cam đoan

Trần Khoa Đăng

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

Chương 1 TỔNG QUAN 12

1.1 Tổng quan về vật liệu ZnO 12

1.2 Cảm biến khí và các đặc trưng của cảm biến khí 14

1.2.1 Cấu tạo chung của một cảm biến khí 14

1.2.2 Cảm biến khí sử dụng sợi nano ôxít kim loại 15

1.2.3 Tổng hợp sợi nano bằng phương pháp phun tĩnh điện 17

1.2.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí 22

Chương 2 THỰC NGHIỆM 28

2.1 Thiết bị và hóa chất 28

2.1.1 Hệ phun tĩnh điện 28

2.1.2 Hóa chất 29

2.2 Quy trình chế tạo cảm biến sử dung vật liệu sợi nano ZnO 30

2.3 Phân tích hình thái vi cấu trúc 31

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (FE-SEM) 31

2.3.2 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) 31

2.3.3 Phương pháp phổ Raman 31

2.3.4 Phương pháp phổ XRD 31

2.3.5 Phương pháp phổ TGA 31

2.4 Các kỹ thuật đo cảm biến khí 32

2.4.1 Phương pháp đo tĩnh 32

2.4.2 Phương pháp đo động 32

2.4.3 Cấu tạo buồng đo khí 34

2.4.4 Cấu tạo hệ trộn khí 34

Chương 3 KẾT QUẢ 38

Trang 3

3.1 Hình thái, vi cấu trúc của vật liệu sợi nano ZnO 38

38

3.2 Khảo sát tính chất và cơ chế nhạy khí H2S của cảm biến 42

KẾT LUẬN 46

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

Trang 4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT Ký hiệu,

viết tắt

Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

1 UV-Vis Ultraviolet – Visible Phổ tử ngoại – khả kiến

2 MFC Mass Flow Controllers Bộ điều khiển lưu lượng

khí

Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

6 FE-SEM Field Emission Scanning

9 rGO Reduced Graphene Oxide Graphen ô xit dạng khử

13 ITIMS International Training

Institute for Materials Science

Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu

14 rpm Revolutions per minute Vòng quay/ phút

khí

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Thống số của hệ phun tĩnh điện 28Bảng 2 2 Thông số của qui trình phun tĩnh điện 30Bảng 2 3 Dung dịch nhỏ phủ 32Bảng 2 4 Dải nồng độ khí H2S sau khi trộn hai lần với bình khí chuẩn

H2S (1000 ppm) 38

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Cấu trúc Wurtzite của vật liệu ZnO 12

Hình 1 2 Cấu tạo chung của một hệ cảm biến khí dựa trên sự thay đổi 14

Hình 1 3 Biểu đồ của hệ phun tĩnh điện 17

Hình 1 4 Ảnh hưởng của việc thay đổi điện áp lên sự hình thành giọt Taylor 19

Hình 1 5 Số lượng công bố trong những năm qua 22

Hình 1 6 Đặc trưng hồi đáp khí của cảm biến 25

Hình 2 1 Hệ phun trĩnh điện (a), bơm tiêm (b), bộ gia nhiệt (c), bộ thu (d) .29 Hình 2 2 Quy trình chế tạo cảm biến sợi nano ZnO 30

Hình 2 3 Quy trình chế tạo cảm biến khí sử dụng vật liệu kiểu chuyển tiếp trong giữa graphene và sợi nano ZnO 31

Hình 2 4 Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng vật liệu kiểu chuyển tiếp ngoài giữa graphene và sợi nano ZnO 32

Hình 2 5 Cấu tạo buồng đo khí cho phương pháp đo động 35

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý của hệ trộn khí: (A) trộn một lần và (B) trộn khí hai lần 37

Hình 3 1 Ảnh FESEM của sợi nano ZnO trước (a) và sau khi xử lí nhiệt tại 600oC (b) 39

Hình 3 2 Kết quả phân tích TGA mẫu sau khi phun 39

Hình 3 3 Phổ EDX của sơi ZnO sau khi ủ ở 600oC 41

Hình 3 4 Giản đồ Xrd của sợi nano ZnO sau khi ủ ở 600oC 42

Hình 3 5 Các đồ thị đặc trưng cho cảm biến sơi nano ZnO: Điện trở theo thời gian theo nồng độ khí H2S tại các nhiệt độ làm việc 250 °C (a), 300 °C (b), 350 °C (c), 400 °C (d), 450 °C (f) và độ đáp ứng theo nhiệt độ tại các nồng độ khí H2S khác nhau 45

Trang 7

Hình 3 6 Độ ổn định của cảm biến sau 7 chu kỳ đóng ngắt khí H2S ở nồng độ

1 ppm so với nền không khí tại 300 °C 46

Trang 8

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong môi trường không khí thường tồn tại nhiều loại khí ô nhiễm vàảnh hưởng tiêu cực đến con người như: khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2); khígây cháy nổ (H2, CH4, LPG, v.v.); khí gây độc và gây hại sức khỏe (CO, CO2,

H2S, NO2, NO, v.v.) Nếu các khí này vượt quá nồng độ cho phép sẽ ảnhhưởng rất xấu đến trước hết là sức khỏe của chúng ta Vì vậy việc phân tíchđịnh tính hay định lượng các loại khí này trong môi trường không khí là cầnthiết và quan trọng đối với an toàn sức khỏe cũng như mang lại những lợi íchkinh tế

Các thiết bị phân tích khí truyền thống có độ chính xác cao được biếtđến như là “sắc ký khí”, “thiết bị phân tích phổ linh động ion”, “thiết bị phântích phổ khối lượng” và “thiết bị phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại” hiện vẫnđang được sử dụng Tuy nhiên, các thiết bị này có hạn chế như là: kích thướclớn, cấu tạo phức tạp, giá thành cao, quá trình vận hành sử dụng thiết bị khókhăn và thời gian phân tích dài [20] Vì lý do này, các thiết bị đều được lắpđặt cố định và không thích hợp cho việc thực hiện phân tích nhanh và trựctiếp tại hiện trường Để đáp ứng được với yêu cầu thực tế, các cảm biến khí

hóa học trên cơ sở vật liệu dạng rắn (solid-state chemical gas sensor) được

đặc biệt quan tâm nghiên cứu Cảm biến khí trên cơ sở oxit kim loại bán dẫn

đã được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước [7] Trong các nhóm

nghiên cứu về vật liệu cấu trúc sợi nano, nhóm nghiên cứu của Sang Sub Kim [3]–[5], [10], [18] có nhiều công trình có giá trị liên quan đến vấn đề

ứng dụng vật liệu cấu trúc sợi nano cho cảm biến khí Từ các công trình này,

có thể nhận thấy rằng các loại cảm biến này có độ nhạy cao, đặc biệt là côngsuất tiêu thụ bé hơn rất nhiều so với các loại cảm biến truyền thống Việcnghiên cứu ứng dụng vật liệu ZnO có cấu trúc sợi nano dùng cho cảm biến

Trang 9

khí được nghiên cứu rất nhiều và hiện nay vẫn là một hướng nghiên cứu đượcquan tâm nhiều trên thế giới.

Vật liệu ZnO cấu trúc sợi nano được nghiên cứu và phát triển rất nhiềubởi các nhóm nghiên cứu vì nó những ưu điểm: tính ổn định, độ bền cao, độnhạy tốt với nhiều loại khí khác nhau, dễ chế tạo, tiêu thụ năng lượng thấp,

chi phí thấp [9] Việc nghiên cứu cảm biến sử dụng vật liệu sợi nano ZnO vẫn

là một công việc quan trọng để phát triển cảm biến khí chất lượng cao phùhợp cho ứng dụng thực tế

Việc hướng dẫn cho học sinh biết được sự độc hại của các khí độc vàhiện trạng ô nhiễm môi trường hiện tại như thế nào là một điều rất quan trọngtrong giáo dục học sinh về khoa học

Công nghệ tương lai của chúng ta là công nghệ nano đơn cử là pháttriển về cảm biến khí nano để phát hiện khí độc và còn nhiều ứng dụng củavật liệu nano trong các lĩnh vực khác mà điều chúng ta cần kết hợp trong giáodục định hướng cho học sinh

Do đó, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo sợi nano

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu phát triển công nghệ ổn định chế tạo sợi nano ZnO bằng phươngpháp electrospinning

- Khảo sát và giải thích cơ chế nhạy khí vật liệu đã chế tạo với khí H2S

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: sợi nano ZnO.

- Phạm vi nghiên cứu: tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo, hình thái cấu

trúc và tính chất nhạy khí của vật liệu với khí H2S.

4 Phương pháp nghiên cứu

Với những mục tiêu như trên, phương pháp nghiên cứu được lựa chọn

Trang 10

của luận văn là nghiên cứu thực nghiệm Cụ thể, phương pháp electrospinningđược lựa chọn để chế tạo vật liệu Hình thái vật liệu, vi cấu trúc của vật liệuđược chúng tôi tiến hành phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạtrường (FE-SEM), Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), Phổ tán xạ Raman,giản đồ nhiễu xạ điện tử tia X (XRD), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).Tính chất nhạy khí của cảm biến được nghiên cứu qua các phép đo điện trởcủa sợi nhạy khí theo thời gian trong môi trường không khí khô so với môitrường khí đo trên hệ đo nhạy khí tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vậtliệu (ITIMS), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các nồng độ khí chuẩndùng cho nghiên cứu được tạo ra theo nguyên lí trộn thể tích bằng các bộ điềukhiển lưu lượng khí (MFC) từ các khí chuẩn ban đầu.

5 Cấu trúc của công trình

Nội dung của công trình được chia làm 3 chương với các nội dung chínhsau đây:

Chương 1: Tổng quan

Trong chương này tác giả sẽ cung cấp nền tản kiến thức cơ bản về vật liệuZnO cấu trúc sợi nano (nanofibber), cấu trúc tinh thể, các tính chất và khảnăng ứng dụng của chúng Tiếp theo, tác giả giới thiệu sơ lược về cơ chế, đặctrưng, các thông số cơ bản, nguyên tắc hoạt động của cảm biến khí nói chung

và cảm biến khí dựa trên cơ sở sợi nano oxit kim loại nói riêng và nêu raphương pháp electrosppinning chế tạo sợi nano nhằm ứng dụng cho cảm biếnkhí

Chương 2 Thực nghiệm

Nội dung chính của chương này là các quá trình thực nghiệm chế tạo mẫu.Đối với việc chế tạo vật liệu tác giả sẽ trình bày hóa chất và lượng hóa chất đãđược sử dụng trong quá trình thực nghiệm, quy trình chế tạo sợi nano ZnO

Chương 3: Kết quả

Trang 11

Tác giả trình bày kết quả chế tạo vật liệu thông qua các phép đo đạc đãđược đề cập; cùng với đó sẽ tiến hành giải thích, nhận xét những kết quả đạtđược.

Kết luận

Trong khuôn khổ phần kết luận, tác giả tổng kết lại những kết quả đã đạtđược của công trình Những kết luận mang tính khoa học, cùng những vấn đềcần được giải quyết trong tương lai được tác giả đề cập và ứng dụng của côngtrình trong giáo dục

Trang 12

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vật liệu ZnO

Vật liệu ZnO dạng khối là chất không mùi, màu trắng hoặc vàng nhạt,không tan trong nước (0.00016g/100ml nước), tan trong axit vô cơ pha loãng.ZnO là vật liệu bán dẫn loại n có bề rộng vùng cấm lớn 3,37 eV, độ linh độngđiện tử cao, năng lượng liên kết exciton lớn (60 meV), có nhiều trong tự nhiên

và không độc hại [24] Với các tính năng ưu việt như vậy, ZnO đã và đangđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống

Vật liệu ZnO có 2 dạng cấu trúc cơ bản: cấu trúc lập phương giả kẽm(Zinc blende) và cấu trúc lục giác (Wurtzite) Cấu trúc Wurtzite của ZnO làcấu trúc ổn định, bền vững ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển Nhóm đốixứng không gian tinh thể của cấu trúc này là C4

6v – p63mc Mỗi nguyên tửkẽm (Zn) liên kết với 4 nguyên tử ôxi (O) nằm ở 4 đỉnh của tứ diện Ở nhiệt

độ phòng ZnO có các thông số như sau: hằng số mạng lần lượt là: a = b =2,2458 Å; c = 5,2060 Å, tương ứng với thể tích một ô cơ sở có giá trị V =47,623 Å; khối lượng riêng 5,606g/cm3 và khối lượng phân tử 81,38 [24]

Tại áp suất khí quyển ZnO bắt đầu mềm ở nhiệt độ khoảng 1000 oCnhưng đến nhiệt độ 1975 oC ZnO mới bắt đầu nóng chảy Liên kết hoá học

Hình 1 1 Cấu trúc Wurtzite của vật liệu ZnO [13]

Trang 13

của ZnO là hỗn hợp của liên kết cộng hoá trị và liên kết ion, trong đó liên kếtcộng hoá trị chiếm 33%, liên kết ion chiếm 67% [24] Trong hợp chất, cấuhình điện tử của Zn là 4s2 và của O là 2s22p6 Các thông số vật lý của vật liệuZnO được trình bày trên bảng 1.1.

Bảng 1 1 Các thông số vật lý thể hiện tính chất của vật liệu ZnO [24]

Trang 14

1.2 Cảm biến khí và các đặc trưng của cảm biến khí

1.2.1 Cấu tạo chung của một cảm biến khí

Cấu tạo chung của cảm biến khí gồm có ba bộ phận chính là: đế, điệncực kim loại và lớp vật liệu nhạy khí Khi cảm biến được đặt trong môitrường có khí cần đo, vật liệu nhạy khí sẽ phản ứng với khí đo và làm thay đổitính chất (tính chất điện) Sự thay đổi này sẽ được hệ đo ghi nhận và phân tíchthông qua kết nối giữa điện cực của cảm biến và hệ đo

Nguyên tắc hoạt động của loại cảm biến này là dựa vào sự tăng haygiảm điện trở của lớp vật liệu nhạy khí do tương tác như hấp phụ, phản ứnghóa học, khuếch tán xảy ra trên bề mặt hay trong lòng lớp vật liệu đó Vật liệuđược sử dụng rất đa dạng gồm có polime, gốm, kim loại, ôxít kim loại, bándẫn, v.v Trong đó, vật liệu nano ôxít kim loại bán dẫn được quan tâm đặcbiệt do có giá thành rẻ, cho độ đáp ứng cao, tốc độ đáp ứng nhanh, dễ chế tạo,

có khả năng phát hiện đa dạng các loại khí, và khả năng thương mại hóa cao

Một số cấu trúc vật liệu nano được sử dụng làm lớp nhạy khí hiện naytrên thế giới là:

- Vật liệu nano cấu trúc không chiều: là vật liệu mà cả 3 chiều đều có

Hình 1 2 Cấu tạo chung của một hệ cảm biến khí dựa trên sự thay đổi

độ dẫn của vật liệu nano ôxít kim loại

độ dẫn của vật liệu nano ôxít kim loại Hình 1 2 Cấu tạo chung của một hệ cảm biến khí dựa trên sự thay đổi

Trang 15

kích thước nano Ví dụ: chấm lượng tử, hạt nano, đám lượng tử.

- Vật liệu nano cấu trúc một chiều: là vật liệu trong đó hai chiều có

kích thước nano, điện tử được tự do trên một chiều còn lại Ví dụ: dây nano,sợi nano, thanh nano, ống nano carbon (CNTs), v.v

- Vật liệu nano cấu trúc hai chiều: là vật liệu trong đó có một chiều

có kích thước nano, điện tử được tự do trong 2 chiều còn lại Ví dụ: màngmỏng, màng graphene

- Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đóchỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc trong cấu trúc của vậtliệu có các cấu trúc nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.2.2 Cảm biến khí sử dụng sợi nano ôxít kim loại

Sợi nano ôxít kim loại là cấu trúc nano một chiều (1D) được ứng dụngrộng rãi trong lĩnh vực cảm biến khí, năng lượng và các lĩnh vực vật liệuquang học Cấu trúc này có diện tích bề mặt riêng lớn, có định hướng tinh thểtốt nên tăng cường các quá trình hấp phụ vật lý, hoá học trên bề mặt dẫn đếnhiệu hiệu suất vật liệu lớn và tiêu hao công suất nhỏ khi làm việc Trong lĩnhvực cảm biến khí, các loại sợi nano ôxít kim loại được sử dụng thường là sợinano SnO2, ZnO, CuO, TiO2, Các sợi nano ôxít kim loại này được tổng hợpbằng nhiều phương pháp vật lý và hoá học khác nhau, phương pháp tổng hợpcấu trúc sợi nano được chia thành các loại: kéo sợi, sử dụng nhiệt để phântách pha, chế tạo khuôn, tự ráp, phun tĩnh điện [27]

Trang 16

Quy trình Ưu điểm Nhược điểm

Kéo sợi Cần ít thiết bị Qui trình không liên tục

khuôn

Các sợi với đường kính khácnhau có thể được chế tạo bởi cáckhuôn khác nhau

Cần nhiều khuôn

Phân tách pha Cần ít thiết bị, quy trình có thể

trực tiếp chế tạo các ma trận sợinano Độ đồng đều dễ dàng đạtđược Tính chất cơ học của matrận có thể được điều khiển bởiđiều chỉnh nồng độ polymer

Bị hạn chế về mặt chitiết

Tự ráp Dễ dàng đạt được kích thước sợi

Trang 17

1.2.3 Tổng hợp sợi nano bằng phương pháp phun tĩnh điện

1.2.3.1.Cơ chế

Thiết bị bao gồm một nguồn cung cấp điện cao áp, một thanh kimđược nối với ống tiêm chứa polymer và một đĩa phẳng hoặc trống quayhoạt động như một bộ thu đất (ground collector) Dung dịch polymer đượcgiữ bởi sức căng bề mặt của nó dưới dạng một giọt ở đầu kim Khi mộtđiện thế được đặt giữa ống tiêm kim và bộ thu, sau khi tăng điện áp giọtnhỏ của dung dịch ở đầu kim bị biến dạng thành hình nón Điều này xảy ra

ở trạng thái cân bằng của lực điện và sức căng bề mặt của dung dịchpolymer Khi cường độ của điện trường vượt quá một giá trị tới hạn, lựctĩnh điện sẽ làm tăng lực đẩy điện giữa các điện tích lẫn nhau trên bề mặt

Hình 1 3 Biểu đồ của hệ phun tĩnh điện

Trang 18

của giọt Do đó, các lực tĩnh điện sẽ vượt qua sức căng bề mặt của dungdịch polymer và do đó phản lực tích điện được đẩy ra từ đỉnh của hình nón.Trong khi đó, dung môi bắt đầu bay hơi ngay lập tức và cuối cùng các tiađông đặc thành các sợi lắng đọng trên bộ thu.

Nhìn chung, đây là ba giai đoạn chính trong quá trình phun tĩnh điện.Đầu tiên là sự hình thành hình nón Taylor trong một giọt chất lỏng ở đầu kimcủa ống tiêm Sau đó, một tia thẳng phun xuất hiện từ đáy của hình nón và dichuyển về phía bộ thu đất (ground collector) Sau một vài milimet, ta có thểquan sát được sự uốn cong của tia phun tĩnh điện do lực tĩnh điện cao trên bềmặt của tia [15]

Trạng thái cong không ổn định xuất hiện ở vùng mà tia bị uốn cong dolực tĩnh điện lớn tác dụng lên bề mặt của đầu nón Taylor Khi phần nhô rangoài ở đầu kim được tích điện bằng cách đặt một điện trường giữa giọt và bộthu, giọt chỉ có được hình dạng ổn định chỉ khi điện trường không quá cao.Hình dạng ổn định này chỉ xảy ra ở trạng thái cân bằng giữa lực điện và sứccăng bề mặt của giọt nước Sự gia tăng hơn nữa của điện thế dẫn đến sự biếndạng của hình dạng này, và giọt đó tạo ra dạng hình nón gọi là hình nónTaylor Do đó, giọt Taylor đề cập đến hình nón được quan sát trong quá trìnhphun tĩnh điện từ đó một luồng các hạt tích điện phát ra trên một điện ápngưỡng Các tia polymer tích điện được kéo dài và di chuyển trong mộtkhoảng cách nhất định về phía điện cực mặt đất, sau đó xảy ra sự mất ổn địnhuốn và các tia biến thành các sợi siêu mịn Có ba trạng thái không ổn địnhkhác nhau, giống như trạng thái không ổn định Rayleigh, trong đó tia bị vỡthành các giọt kích thước cực nhỏ Tuy nhiên, một trạng thái không ổn địnhkhác là sự không ổn định dẫn truyền đối xứng, trong đó các tia sẽ hình thànhcác cấu trúc hạt Trạng thái cong không ổn định là một điều quan trọng trongtoàn bộ quá trình, có nhiệm vụ kéo dài các tia hình thành các sợi nano [27]

Trang 19

1.2.3.2.Thông số

Các tính chất của sợi phun tĩnh điện (hình thái, đường kính trung bình,

độ xốp, tính đồng nhất và tính chất cơ học, v.v.) phụ thuộc vào một số cáctham số như tham số xử lý và thuộc tính giải pháp Các sợi phun tĩnh điệnmong muốn có thể được đánh giá một cách có hệ thống bằng cách thay đổicác thông số khi phun Các yếu tố quan trọng nhất là tính chất dung dịch bịảnh hưởng bởi độ hòa tan của quá trình kết tinh polymer, nhiệt độ chuyểnthủy tinh; trọng lượng phân tử và phân bố trọng lượng phân tử có ảnh hưởngđáng kể đến khả năng phun tĩnh điện của dung dịch Ngoài ra, tham số xử lýbao gồm cường độ điện trường, tốc độ nạp dung dịch, đường kính kim vàkhoảng cách giữa đầu kim và bộ thu đất sẽ ảnh hưởng đến các sợi thu được

 Điện áp

Thông số này và cường độ điện trường áp dụng cho việc kiểm soát hìnhthái và đường kính của sợi được tạo ra với kích thước từ vài micromet đếnhàng chục nanomet [27] Khi có nhiều lực cản hơn nhưng lực tác dụng ít hơn,dung dịch được hút thành tia dẫn đến các sợi mỏng hơn Vì vậy, lực càng ítlàm cho sợi càng mỏng Khảo sát ảnh hưởng của điện áp đến sự hình thànhsợi của các khuyết tật hạt cho thấy số lượng khuyết tật của hạt tăng lên theo

Hình 1 4 Ảnh hưởng của việc thay đổi điện áp lên sự hình thành giọt Taylor [27]

Trang 20

sự gia tăng của việc thiếu khả năng hình thành các tia từ dung dịch Khi điện

áp đặt vào tăng, thể tích của giọt nhô ra hình thành ở đầu giảm dần cho đếnkhi hình thành nón Taylor Do đó, bằng cách tăng điện áp, tia sợi dẫn đếntrạng thái không ổn định của tia phun ra và liên quan đến khuyết tật hạt khi nóđược đẩy ra từ bên trong ống mao dẫn [27]

 Tốc độ phun

Hình thái sợi, độ xốp và đường kính cũng bị ảnh hưởng bởi tốc độ phuncủa hệ Các thí nghiệm trên các tia phun dẫn bởi Taylor đã kết luận rằng hìnhdạng nón không thể ổn định nếu tốc độ dòng dung dịch chảy qua ống maoquản, hiệu ứng của tốc độ dòng chảy trên sợi đốt được làm từ polystyrene vàtetrahydrofuran (THF) được thực hiện bởi Megelski và các đồng sự [21] Họ

đã chứng minh rằng đường kính sợi tăng theo tốc độ phụn và khi tốc độ phuncao, các khuyết tật hạt tăng theo Điều này được họ mô tả là do thực tế các sợikhông thể khô hoàn toàn nên khi tiếp xúc với mục tiêu hoặc bộ thu đã đượcnối đất, chúng vẫn ướt liên kết với và từ các mối nối với các sợi khác và tạothành các dải phẳng hoặc ruy băng như sợi, sợi được đẩy ra ở tốc độ phun tối

ưu có tiết diện tròn

 Khoảng cách từ bộ thu đến đầu kim

Khoảng cách giữa mục tiêu và đầu kim đóng một vai trò nhỏ vẫn ảnhhưởng đến hình thái của sợi [27] Khi khoảng cách tăng, đường kính của sợigiảm và khuyết tật hạt tăng khi khoảng cách giảm, điều này là do sợi khôngthể khô trước khi tiếp cận bộ thu

 Nồng độ polymer

Khả năng hình thành sợi được xác định bởi nồng độ của polymer Nồng độcủa polymer ảnh hưởng đến hai thông số quay tĩnh điện quan trọng khác là độnhớt của dung dịch và sức căng bề mặt của nó [27] Dung dịch không nên quáđậm đặc, độ nhớt sẽ rất cao, tốc độ phun của dung dịch sẽ không thể kiểm

Trang 21

soát được và điều này sẽ dẫn đến việc không thể hình thành sợi Vì vậy, giữthông số khác ở tốc độ không đổi, nồng độ của polymer phải được tối ưu.

Bảng 1 3 Các polymer và dung môi dùng cho hệ phun tĩnh điện [27]

Trang 22

 Độ bay hơi của dung dịch

Trong quá trình phun, sự phân tách pha xảy ra giữa đầu kim và mục tiêukhi sợi phun được đẩy ra từ đầu đến mục tiêu khi sợi được đông cứng lắngxuống làm giảm tác dụng của sợi ướt Hiện tượng này bị ảnh hưởng rất lớnbởi sự bay hơi của dung môi đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành sợi.Dung môi dễ bay hơi sẽ làm tăng tốc độ bay hơi của pha khí hoặc pha lỏng,chỉ để lại một pha rắn sẽ lần lượt làm tăng diện tích bề mặt của sợi [27]

Tóm lại với ưu điểm dễ dàng chế tạo được sợi nano từ nhiều loại vật liệukhác nhau, phương pháp đơn giản và rẻ tiền, phương pháp này được nhiềunhóm nghiên cứu sử dụng trong những năm qua và càng ngày càng tăng về sốlượng Các công trình công bố liên quan đến phương pháp phun tĩnh điện nàycũng tăng nhanh trong giai đoạn từ 2006-2017 như được chỉ ra trong hình 1.5[26]

1.2.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí

Các đặc trưng cơ bản của cảm biến khí là những thông số hết sức quan

Hình 1 5 Số lượng công bố trong những năm qua [26]

Trang 23

trọng trong nghiên cứu, ứng dụng cũng như đánh giá phẩm chất của cảm biến.Đây cũng là những thông số cần quan tâm trong nghiên cứu chế tạo cảm biến.Các thông số quan trọng nhất của cảm biến khí được liệt kê dưới đây:

1.2.4.1.Độ đáp ứng khí

Độ đáp ứng khí là độ thay đổi tín hiệu đo tương ứng với thay đổi nồng

độ của khí đo Độ đáp ứng khí thường được định nghĩa bằng tỷ số giá trị tínhiệu khi có khí chia cho giá trị tín hiệu khi không có khí (hoặc nghịch đảo củatín hiệu này) Đối với cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn, độ đáp ứng khí là tỷ

số giữa điện trở (độ dẫn) của cảm biến trong môi trường có khí đo chia chođiện trở (độ dẫn) của cảm biến đo trong môi trường không khí (khí so sánh)[14] Các công thức thường được sử dụng để tính độ đáp ứng như sau:

đo cũng như thiết bị cảm biến Ngoài ra, khi cảm biến có độ đáp ứng khí caothì giới hạn đo đạc của cảm biến cũng được cải thiện

Các nghiên cứu trên thế giới gần đây đều tập trung cải thiện độ đáp ứngcủa cảm biến, từ đó cho phép cảm biến có thể phát hiện, đo đạc các khí ởnồng độ rất thấp cỡ một phần triệu (ppm) hoặc một phần tỷ (ppb) Trongnghiên cứu cảm biến khí, để đánh giá độ đáp ứng của cảm biến, tín hiệu đo sẽđược ghi liên tục trong môi trường so sánh (khí nền), sau đó khí nền sẽ đượcchuyển qua khí cần đo Sự thay đổi tín hiệu đo giữa môi trường khí nền và khíphân tích càng lớn thì cảm biến có độ đáp ứng càng cao

Trang 24

1.2.4.2.Độ nhạy khí

Độ nhạy của cảm biến khí kiểu điện trở là tỷ số giữa sự thay đổi điệntrở tương đối của cảm biến (∆R) so với sự thay đổi của nồng độ khí đo (∆C).Hay độ nhạy chính là độ dốc của đường phụ thuộc của độ đáp ứng khí theonồng độ khí đo Đây là định nghĩa về độ nhạy đã được hiệp hội quốc tế về hóaphân tích (International Union Pure Analytical Chemistry, gọi tắc là IUPAC)thông qua Trong thực tế đã có rất nhiều trường hợp người ta đã nhầm lẫngiữa độ đáp ứng và độ nhạy Vì vậy, cần hết sức chú ý trong việc công bố cáckết quả nghiên cứu của mình trên các diễn đàn quốc tế và trong nước [1].Cảm biến khí có độ nhạy càng cao thì càng dễ dàng trong việc thiết kế mạch

đo Cần phân biệt độ nhạy và giới hạn đo, vì giới hạn đo là nồng độ khí thấpnhất mà cảm biến còn có thể phân biệt được Tuy nhiên cảm biến có độ nhạycàng cao thì càng có thể đo được các giới hạn nồng độ khí thấp hơn

1.2.4.3.Độ chọn lọc

Là khả năng đáp ứng chọn lọc với một nhóm hoặc một loại khí phân tíchcủa cảm biến Thông thường, để đánh giá độ chọn lọc của cảm biến khí,người ta thường so sánh độ nhạy hoặc độ đáp ứng của cảm biến đối với cáckhí khác nhau ở cùng một nồng độ khí với điều kiện cảm biến làm việc ở mộtđiều kiện nhất định [1] Thông thường, cảm biến khí mong muốn chế tạo chỉ

có thể đáp ứng chọn lọc với một vài loại khí nhất định ở vùng nồng độ nhấtđịnh trong điều kiện làm việc tối ưu Tuy nhiên đối với cảm biến khí kiểu thayđổi độ dẫn dựa trên lớp nhạy khí là các ôxít kim loại bán dẫn thường cho độchọn lọc khá kém do cảm biến có thể cho độ đáp ứng tương đối cao so vớimột vài loại khí khác nhau Tăng tính chọn lọc của cảm biến khí vẫn đang làmột vấn đề thách thức với các nhà nghiên cứu

1.2.4.4.Độ ổn định

Độ ổn định là khả năng làm việc của cảm biến trong một khoảng thời

Trang 25

gian nhất định mà vẫn đảm bảo tính lặp lại của các kết quả đo Chúng baogồm cả độ nhạy, độ chọn lọc, thời gian đáp ứng và hồi phục Thông thường,

độ ổn định của cảm biến có hai loại, một là độ ổn định theo thời gian làm việchoặc số lần làm việc, loại thứ hai liên quan đến độ ổn định của cảm biến khilàm việc liên tục trong khoảng thời gian dài (long-term stability) Loại thứ 2liên quan đến thời gian sống của cảm biến Thông thường mỗi cảm biến cómột thời gian sống nhất định Sau khoảng thời gian này thì cảm biến thường

bị phá hủy hay hỏng không còn hoạt động được Đối với cảm biến bán dẫn,khi làm việc ở nhiệt độ cao, các tinh thể ô xít kim loại sẽ khuếch tán vào nhau

và hình thành các tinh thể lớn hơn, từ đó dẫn đến làm suy giảm đáp ứng củacảm biến [1] Như vậy, sau một khoảng thời gian làm việc nhất định cảm biếncần được hiệu chỉnh lại

1.2.4.5.Thời gian đáp ứng và hồi phục

Thời gian đáp ứng là thời gian cần thiết để cảm biến có thể đáp ứng vớicác bước thay đổi nồng độ từ giá trị không đến một nồng độ nhất định Thôngthường với cảm biến khí kiểu thay đổi điện trở, thời gian đáp ứng chính làthời gian để tín hiệu (điện trở hoặc độ dẫn) của cảm biến thay đổi từ giá trị

Hình 1 6 Đặc trưng hồi đáp khí của cảm biến [1]

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	6,61 MB