Sử dụng phương pháp trộn khí từ các nguồn khí chuẩn với nguyên lý trộn thể tích từ các dòng khí liên tục với tỷ lệ lưu lượng xác định [42, 12] hay còn gọi là trộn theo thể tích. Đây là phương pháp khá linh hoạt có thể đạt nhiều giá trị nồng độ khí trong dải nồng độ rộng từ mức ppb (một phần tỷ) đến % thể tích, trộn được nhiều loại khí trong buồng đo và cho thời gian đạt được nồng độ khí trong buồng đo nhanh. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế sự thay đổi nồng độ khí trong buồng đo do tương tác với vật liệu nhạy khí và do sự hấp phụ/giải hấp với vật liệu cấu thành buồng đo hoặc là do thẩm thấu ra ngoài. Nhược điểm của phương pháp này là lượng khí tiêu thụ lớn và có khả năng sinh ra hiệu ứng làm lạnh môi trường buồng đo khi hoạt động ở điều kiện có lưu lượng khí cao. Tuy nhiên, đây là phương pháp phù hợp cho nghiên cứu khảo sát tính chất nhạy khí của vật liệu và cảm biến.
Với yêu cầu cảm biến có thể hoạt động ở trong vùng nhiệt độ cao, việc thiết kế chế tạo vỏ (buồng đo) cảm biến cũng là yêu tố quan trọng nhằm đạt được nhiệt độ hoạt động mong muốn cho mục đích điều khiển được độ chọn lọc, độ nhạy, dải đo của cảm biến.
Hình 2. 7: Vỏ cảm biến (buồng đo) được thiết kế chế tạo: cấu trúc(a); ảnh chụp lớp vỏ bên trong và bên ngoài (b).
Hình 2.7 là cấu trúc của vỏ cảm biến để có thể hoạt động ỏ nhiệt độ cao. Trong cấu trúc này gồm: buồng hình trụ (inox hoặc nhựa chịu nhiệt) có kích thước cao 50 mm và đường kính trụ 40 mm. Buồng có đường khí vào và đường khí ra. Cảm biến được đặt ở tâm buồng, giữa chíp cảm biến và vỏ buồng có lớp bảo ôn chịu nhiệt (bông thủy tinh). Với thiết kế vỏ cảm biến này, nhiệt độ trong buồng đo có thể đạt đến 800
oC. Các cảm biến được đo trong buồng đo với các khí chuẩn NO2, CO, C6H14, C3H8, CH4 được trộn với khí mang N2 và O2. Tổng lưu lượng dòng khí qua buồng đo đặt trong khoảng 500 mL/phút và được điều khiển bởi các bộ vi điều khiển lưu lượng lập trình được (Mass Flow Controllers – MFC; AALBORG, model GFC-17, USA) như hình 2.8.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đánh giá đặc trƣng dẫn ion của vật liệu YSZ
Đối với cảm biến điện hóa rắn, lớp điện ly (electrolyte) là rất quan trọng nó đòi hỏi có độ dẫn ion cao (dẫn ion oxy), hầu như không dẫn điện tử. Vì thế, cấu trúc và đặc tính dẫn ion của lớp màng điện ly được đặc biệt quan tâm.
Mẫu bột YSZ (ZrO2+ 8 %mol Y2O3) được chế tạo bằng phương pháp sol-gel ở trên sẽ được ép thành các viên mỏng và nung ủ ở nhiệt độ 1300 oC trong 8 h sau đó phủ 2 điện cực Pt lên trên 2 mặt của tấm YSZ với chiều dày 0,1 𝝁𝒎 như hình 3.1, sau đó ủ 500 o
C trong 2 h để đo phổ tổng trở điện hóa của lớp màng. Phép đo tổng trở của các mẫu YSZ được thực hiện trên hệ điện hóa Autolab PGS-30 trong vùng tần số từ 10 mHz đến 1 MHz tại các nhiệt độ hoạt động 400, 500 và 600 oC (vùng nhiệt độ hoạt động mà YSZ thể hiện độ dẫn ion và vùng hoạt động của cảm biến khí dạng điện hóa).
Hình 3. 1: Cấu trúc lớp màng YSZ trong phương pháp đo tổng trở gồm 2 điện cực Pt ở 2 phía của lớp màng.
Hình 3.2 là ảnh SEM bề mặt tấm YSZ sau khi ủ tại nhiệt độ 1300 oC trong 8 giờ. Kết quả chỉ ra rằng các hạt lớn xếp chặt, kích thước hạt khá đồng đều khoảng 2-5 μm. Mẫu bột YSZ sau khi được ép và nung ủ 1300 oC thể hiện vật liệu dẫn ion có độ đồng nhất và chắc đặc phù hợp cho ứng dụng lớp điện ly của cảm biến khí điện hóa.
Hình 3. 2: Ảnh SEM bề mặt viên nén YSZ sau khi nung ủ ở nhiệt độ 1300 oC.
Lớp dẫn ion YSZ được đo phổ tổng trở theo các nhiệt độ hoạt động khác nhau trong môi trường không khí.
Hình 3. 3: Kết quả đo tổng trở các màng YSZ sau khi ủ 1300 oC tại các nhiệt độ hoạt động 400 oC và đường khớp số liệu tổng trở theo mô hình tính toán;Hình chèn là phổ
tổng trở của màng YSZ tại nhiệt độ hoạt động 500 oC và 600 o
C.
Từ kết quả đo phổ tổng trở của mẫu YSZ sau khinung ủ ở nhiệt độ 1300 oCtại các nhiệt độ hoạt động tương ứng 400, 500 và 600 oC như trên hình 3.3 cho thấy, tại nhiệt độ hoạt động thấp (400 oC) các mẫu đều có sự phụ thuộc Z’ vào -Z” theo dạng cung tròn mở rộng ở vùng tần số cao (cỡ 229 kHz ÷ 1.32kHz) và theo dạng đường thẳng dài về phía tần số thấp. Đặc trưng này có thể được cho là đóng góp của điện trở nội hạt và biên hạt của vật liệu YSZ. Khẳng định này được minh chứng bằng sự thu nhỏ dần và biến mất vòng cung nhỏ này khi khảo sát phổ tổng trở của các mẫu ở nhiệt độ hoạt động cao (500 và 600 oC). Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của biên hạt và nội hạt của vật liệu oxit kim loại tới độ dẫn điện của vật liệu oxit giảm theo sự tăng nhiệt độ hoạt động. Trên hình 3.3 còn chỉ ra rằng khi nhiệt độ hoạt động tăng thì sự phụ thuộc phần thực (Z’) và phần ảo (-Z”) ở vùng tần số thấp chuyển dần từ đường thẳng sang đường cong và có xu hướng thu hẹp dần. Các kết quả này là do độ dẫn ion và độ linh động ion của vật liệu YSZ tăng dần theo sự tăng nhiệt độ hoạt động. Ngoài ra, khi nhiệt độ hoạt động tăng từ 500 đến 600 oC đặc trưng của các đường cong Z’-Z” thể hiện không là bán cung tròn tại vùng tần số thấp. Điều này có thể được lý giải dựa trên hiện tượng khuếch tán hạt tải ion bị chặn tại ở điện cực khi đáp ứng với tần số điện trường bên ngoài (hiện tượng khuếch tán ion giới hạn [28]).
Xây dựng mô hình tính toán tổng trở điện hóa cho hệ cảm biến điện hóa rắn sử dụng phần mềm Zsimp 3.30:
Tổng trở của vật liệu oxit thường phụ thuộc vào các tính chất của vùng tiếp giáp biên hạt, vùng tiếp giáp vật liệu dẫn ion và điện cực, điện trở nội hạt của vật liệu dẫn ion, sự khuếch tán của hạt tải ion và điện trở chuyển dời điện tích [8]. Tổng trở Z của
hệ cảm biến bao gồm các thành phần như: Ro là điện trở tiếp xúc, Cdl là điện dung của vùng tiếp giáp giữa vật liệu dẫn ion và điện cực, Qgb và Qdl là phần tử giống tụ điện,
Rct liên quan đến trở chuyển dời điện tích và ZW (trở Warburg, liên quan đến sự khuếch tán của hạt tải ion) của cấu hình Pt/YSZ/Pt. Do đó, sơ đồ mạch tương đương của hệ cảm biến có thể là:
Hình 3. 4: Sơ đồ mạch tương đương ứng với hệ cảm biến điện hóa rắn.
Trong sơ đồ hình 3.4, tại vùng tần số cao chủ yếu là đóng góp của biên hạt, nội hạt đối với hạt tải điện tử, còn tại vùng tần số thấp là đóng góp của hạt tải ion. Hình 3.3 là kết quả khi làm khớp số liệu đo được với phần tử điện tương ứng của màng YSZ tại nhiệt độ hoạt động 400 oC bằng phần mềm Zsimp 3.30. Từ đây có thể thấy rằng, tại nhiệt độ hoạt động là 400 oC kết quả về đường Nyquist đo trong thực tế là phù hợp với mạch điện tương đương theo mô hình Randles [39]. Ở vùng tần số thấp đặc trưng dẫn ion của vật liệu YSZ được thể hiện tốt nhất. Bảng 2 là tổng hợp các phần tử điện tương đương của mẫu YSZ được ủ tại 1300 oC khi được khớp số liệu thực nghiệm.
Bảng 2: Các phần tử điện tương đương của Pt/YSZ /Pt tại nhiệt độ hoạt động 400 oC.
Điện trở điện cực R0 () 0.050
Điện trở và điện dung khối
Cg (F) 6.70810-10
Rg () 129.0
Điện trở và điện dung biên hạt
Qgb (S.secn); n 1.32110-7; 0.992
Rgb () 155.1 Phần tử pha cố định (tiếp giáp điện cực
và chất điện ly) Qdl (S.secn); n 1.57810-4; 0.323 Điện trở chuyển rời điện tích Rct () 0.016 Phần tử khuếch tán Warburg W (S.sec0.5) 1.33110-5
Kết luận, bằng phương pháp sol-gel xitric, vật liệu YSZ chế tạo được thể hiện tính dẫn ion tốt khi khảo sát tại vùng nhiệt độ trên 400 oC phù hợp cho cảm biến điện hóa rắn.
3.2. Cấu trúc các lớp của cảm biến
Chiều dày các lớp trong cấu trúc của cảm biến được xác định qua ảnh SEM (của hãng HITACHI S-4800) khi chụp cắt ngang và bề mặt của cấu hình cảm biến. Hình 3.5 là ảnh SEM các lớp trong cấu trúc cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 sau khi được nung ủ tại 1000 oC trong 2 h gồm: lớp điện cực Pt trên YSZ; lớp điện cực LaNiO3 trên đế YSZ; mặt cắt Pt/YSZ; và mặt cắt LaNiO3/YSZ. Từ hình 3.5 (a) và 3.5 (b) cho thấy các hạt nano Pt, LaNiO3 sau khi được phủ lên tấm YSZ làm điện cực có độ đồng đều, độ xốp cao do đó diện tích tiếp xúc bề mặt riêng lớn. Trong luận văn này, lớp màng điện cực được chế tạo bằng công nghệ in phủ ở dạng màng dày, với chiều dày của màng có thể khống chế trong khoảng từ 1 - 50 𝜇𝑚, ở đây lớp vật liệu Pt có độ dày khoảng 3 𝜇𝑚 và lớp vật liệu LaNiO3 có độ dày là 10 𝜇𝑚.
Hình 3. 5: Ảnh SEM: lớp điện cực Pt trên YSZ (a); mặt cắt lớp điện cực Pt/YSZ (b); lớp nhạy khí LaNiO3 (c); lớp điện cực LaNiO3 trên YSZ (d).
3.3. Tính chất nhạy khí của cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 và Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3
Phát hiện và đo đạc sự rò rỉ các loại khí độc (ví dụ như NOx, CO), khí gây cháy nổ như khí hydrocarbon (HC) và các chất dễ bay hơi (VOC) đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Nhiều loại ôxít kim loại đã được sử dụng để chế tạo các cảm biến khí thương mại. Tuy nhiên, một nhược điểm chung của các loại cảm biến này là chúng có độ chọn lọc kém và độ nhạy tương đối thấp trong vùng nồng độ thấp. Mặt khác, các cảm biến khí đều hoạt động ở nhiệt độ cao, do đó sau một thời gian sử dụng độ nhạy của cảm biến giảm và dẫn đến sự thiếu chính xác của các thiết bị đo. Người ta đã sử dụng nhiều phương pháp để tăng độ nhạy của cảm biến, bằng cách giảm nhiệt độ hoạt động, hoặc pha thêm chất liên kết đặc biệt, các chất hoạt hóa bề mặt, hoặc sử dụng một lớp lọc các chất khí khác để tăng độ nhạy và độ chọn lọc. Tuy nhiên việc tìm kiếm loại vật liệu mới và cải tiến công nghệ vẫn đang được nhiều phòng thí nghiệm tiếp tục nghiên cứu.
Cảm biến khí được thiết kế phụ thuộc vào vùng nồng độ cần đo và mục đích ứng dụng. Ví dụ, đối với khí NOx (gồm NO2 và NO) là loại khí có hoạt tính hóa học mạnh và rất độc. Giới hạn nồng độ được phép phát thải hoặc có trong trong môi trường không khí là rất nhỏ chỉ cỡ ppm (parts per million). Theo Ủy ban sức khỏe và an toàn nghề nghiệp Mỹ (OSHA) nồng độ NOx cho phép con người làm việc bị nhiễm trong 8h là nhỏ hơn 5 ppm. Trong đó, khí monoxit cacbon (CO) là một loại khí không màu, không mùi, bắt cháy và có độc tính cao ngay ở vùng nồng độ rất nhỏ (cỡ ppm). Một loại khí nguy hiểm khác cũng thường tồn tại trong môi trường không khí đó là khí HC, khí này có khả năng gây cháy nổ cao khi đạt đến nồng độ tới hạn (cỡ một vài phần trăm thể tích) trong môi trường không khí.
Khảo sát sự phụ thuộc của độ nhạy vào nồng độ khí là một yếu tố rất quan trọng trong ứng dụng chế tạo cảm biến khí. Đây chính là đường đặc trưng làm việc, là thông số mà nhà sản xuất cung cấp cho khách hàng. Thông thường một cảm biến tốt cho đường đặc trưng độ nhạy - nồng độ gần đúng là một hàm đơn giản (có dạng đường bậc nhất hoặc bậc hai). Điều này sẽ thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu trong mạch điện tử của thiết bị. Bên cạnh đó, độ dốc của đường đặc trưng trong dải đo cũng là yếu tố cần thiết đối với một cảm biến tốt vì độ dốc càng lớn thì khả năng phân giải các giá trị tín hiệu càng tốt, thiết bị hiển thị càng chính xác.
Luận văn này sử dụng cảm biến điện hóa rắn ở dạng thế hỗn hợp trên cơ sở vật liệu YSZ được chế tạo với lần lượt các oxit (LaNiO3 và SmFeO3) làm lớp vật liệu điện cực nhạy khí sử dụng 2 cấu hình cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 và Pt/YSZ/LaNiO3- SmFeO3. Với mục đích ứng dụng làm cảm biến đo khí thải, các cảm biến này trước tiên lần lượt được nghiên cứu các tính chất nhạy khí NOx, CO, HC trong vùng nồng độ thấp (0ppm - 90ppm) từ đó đánh giá tính chọn lọc, độ nhạy của các cảm biến với mỗi
loại khí kể trên. Dưới đây là trình bày các kết quả đo độ đáp ứng theo nồng độ khí của các cảm biến tại các nhiệt độ hoạt động 500, 550 và 600 oC.
3.3.1. Đáp ứng cảm biến trong khí NOx
Hình 3. 6: Đáp ứng trong 15, 30, 60 và 90 ppm NO2 tại các nhiệt độ hoạt động 500, 550 và 600 oC của cảm biến: Pt/YSZ/ LaNiO3 (a); hình chèn là đáp ứng tại nhiệt độ
450 oC và Pt/YSZ/ LaNiO3-SmFeO3 (b).
Độ nhạy khí cảm biến điện hóa dựa trên chất điện ly rắn được đánh giá qua khả năng biến đổi điện áp EMF giữa 2 điện cực khi thay đổi nồng độ khí. Trong đó:
∆𝐸𝑀𝐹 = 𝐸𝑀𝐹𝐾ℎíđ𝑜 − 𝐸𝑀𝐹𝐾ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí
Với: 𝐸𝑀𝐹𝐾ℎí đ𝑜 là tín hiệu điện áp ra của cảm biến khi đặt trong môi trường có khí cần đo (ví dụ như: NOx, HC, CO…); 𝐸𝑀𝐹𝐾ℎô𝑛𝑔 𝑘ℎí là tín hiệu điện áp ra của cảm biến khi đặt trong môi trường không khí.
Hình 3.6 là đường điện áp ∆𝐸𝑀𝐹 của cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 và Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3 đáp ứng với các nồng độ khí NO2 (15, 30, 60 và 90 ppm) tại các nhiệt độ hoạt động 500, 550 và 600 o
C. Kết quả này cho thấy cả 2 loại cảm biến đều có điện áp ra ∆𝐸𝑀𝐹 đáp ứng theo sự thay đổi chu kỳ nồng độ khí NO2. Tại nhiệt độ hoạt động là 550 oC cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 có đáp ứng là tốt nhất khoảng 3 mV trong 90ppm khí, trong khi đó cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3 cho đáp ứng khí cao nhất tại nhiệt độ hoạt động là 500 oC khoảng 10 mV trong 90ppm khí. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục là hai đại lượng rất quan trọng để xác định tính hiệu quả của cảm biến. Ở đây, cả 2 loại cảm biến đều có thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục khá là nhanh chỉ khoảng 100s và nó không bị phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động của cảm biến.
Hình 3.7 thể hiện sự đáp ứng theo 15, 30, 60 và 90 ppm nồng độ khí NO của cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 và Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3 trong dải nhiệt độ hoạt động 500 - 600 oC. Từ đây ta thấy rằng, khi hoạt động tại nhiệt độ cao thì cảm biến có độ phân giải (biến đổi áp/một đơn vị nồng độ khí) giảm và có dải đo rộng. Khi nhiệt độ hoạt động thấp, cảm biến có độ phân giải cao, dải đo nồng độ thấp. Cả 2 loại cảm biến đều có đáp ứng khí NO tốt nhất tại nhiệt độ hoạt động là 500 o
C (cỡ 3 mV đối với cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 và 10 mV đối với cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3 trong 90ppm khí).
Hình 3. 7: Đáp ứng trong 15, 30, 60 và 90 ppm NO tại các nhiệt độ hoạt động 500, 550 và 600 oC của cảm biến: Pt/YSZ/ LaNiO3 (a); và Pt/YSZ/ LaNiO3-SmFeO3 (b).
So sánh đường điện áp tín hiệu ra EMF trong khí NO2 và NO của cả 2 loại cảm biến (như trong hình 3.6 và 3.7), ta thấy xuất hiện một điểm khá đặc biệt đó là: đối với cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3 tại dải nhiệt độ hoạt động thấp (400 - 500 oC) tín hiệu ra của cảm biến là ngược chiều so với tín hiệu ra của cảm biến khi hoạt động tại dải nhiệu độ cao (500 - 600 oC), trong khi đó tín hiệu ra của cảm biến Pt/YSZ/LaNiO3-SmFeO3 là không bị đảo chiều trong toàn dải nhiệt độ hoạt động. Điều này có thể được giải thích