Cảm biến SnO2/NiO chế tạo xong được khảo sát nhạy khí H2S nồng độ trong khoảng từ 1 ppm đến 10 ppm tại các nhiệt độ khác nhau 200 oC, 250 oC và 300 oC. Hình (3.12- 3.14) cho thấy sự thay đổi điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với khí H2S với nồng độ khác nhau ở các giá trị nhiệt độ khảo sát.
Hình 3.12. Đặc trưng cảm biến khí H2S (1 ÷ 10 ppm) của dây nano SnO2/NiO - 3 nm tại các nhiệt độ khác nhau (A) 200; (B) 250; (C) 300 oC; (D) đáp ứng theo nồng độ khí.
74
Hình 3.12 cho thấy sự thay đổi điện trở của cảm biến SnO2/NiO - 3 nm khi tiếp xúc với khí H2S tại dải nhiệt độ từ 200 oC đến 300 oC. Tại nhiệt độ 200 oC, cảm biến trong không khí có điện trở là 45 kᘯ. Khi tiếp xúc với khí H2S nồng độ 10 ppm điện trở của cảm biến giảm đến 13 kᘯ với thời gian đáp ứng là 15 giây - Hình 3.12 (A). Khi ngắt khí H2S điện trở của cảm biến được phục hồi đến giá trị ban đầu trong vài phút. Cảm biến cũng cho thấy với nồng độ khí H2S từ 1 ppm đến 10 ppm cho đáp ứng khí tốt điều này chỉ ra khả năng phát hiện khí H2S ở mức độ ppm của cảm biến. Tại một số giá trị nhiệt độ cao hơn là 250 oC cảm biến cũng cho đáp ứng khí tương tự, điện trở của cảm biến cũng giảm đáng kể khi tiếp xúc với khí H2S nồng độ từ 1 ppm đến 10 ppm. Thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến đo được lần lượt là 12 và 58 giây. Như vậy, kết quả cho thấy tốc độ đáp ứng và phục hồi của cảm biến được cải thiện khi nhiệt độ tăng. Tại nhiệt độ làm việc cao của cảm biến (300 oC) thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến cỡ 6 giây và 35 giây. Hình 3.12 (D) cho thấy độ đáp ứng khí H2S nồng độ 1 ppm đến 10 ppm của cảm biến tại các nhiệt độ khác nhau. Độ đáp ứng của cảm biến tăng tuyến tính với sự gia tăng nồng độ H2S từ 1 ppm đến 10 ppm. Ở mức nồng độ H2S nhất định độ đáp ứng khí của cảm biến tăng khi nhiệt độ tăng từ 200 oC đến 300 oC. Độ đáp ứng của cảm biến với 1 ppm H2S khoảng 1,7 và tăng lên 2,1 và 2,7 tương ứng khi nhiệt độ làm việc của cảm biến tăng lên 250 oC và 350 oC. Như vậy với độ dày lớp biến tính NiO là 3 nm thời gian đáp ứng và hồi phục của cảm biến được cải thiện khi nhiệt độ tăng nhưng độ đáp ứng vẫn còn rất thấp so với độ đáp ứng với 1 ppm H2S của dây nano SnO2 nguyên sơ tại 200 oC là cỡ 3,6 - Hình 3.3.
Hình 3.13 (A-D) cho thấy đặc điểm nhạy khí H2S của cảm biến SnO2/NiO - 5 nm, điện trở nền của cảm biến tại 200 oC trong không khí cỡ 1,1 Mᘯ giá trị này cao hơn nhiều so với cảm biến SnO2/NiO - 3 nm (45 kᘯ) cho thấy khi chiều dày lớp biến tính tăng thì vùng nghèo mở rộng tại chỗ tiếp xúc giữa NiO và SnO2. Khi tiếp xúc với khí H2S điện trở của cảm biến giảm tương tự như cảm biến SnO2/NiO - 3 nm. Tuy nhiên cảm biến cho thấy độ đáp ứng khí cao nhất tại 200 oC nhưng lại không cao ở mức 300 oC. Kết quả này cho thấy rằng khi tăng bề dày của lớp biến tính NiO trên bề mặt dây nano SnO2 thì nhiệt độ làm việc tốt nhất của cảm biến giảm. Mặt khác kết
75
quả cũng thấy cảm biến SnO2/NiO -5 nm tại 200 oC cho độ nhạy khí H2S – 1 ppm là 56 lần là một giá trị tương đối cao. Độ đáp ứng của cảm biến tăng từ 56 đến 100 lần khi nồng độ khí H2S tăng từ 1 ppm đến 10 ppm và cũng cho thấy cảm biến vẫn chưa đạt giá trị bão hoà trong phạm vi đo.
Hình 3.13. Đặc trưng cảm biến khí H2S (1 ÷10 ppm) của dây nano SnO2/NiO - 5 nm tại các nhiệt độ khác nhau (A) 200; (B) 250; (C) 300 oC; (D) đáp ứng theo nồng độ khí.
Hình 3.14 (A-D) các đặc điểm nhạy khí của cảm biến SnO2/NiO -10 nm. Với độ dày lớp biến tính NiO tăng đã cải thiện được độ đáp ứng khí của cảm biến, nhưng đáng chú ý là thời gian hồi phục của cảm biến. Điện trở của cảm biến không thể phục hồi về giá trị ban đầu khi đã ngừng tiếp xúc khí H2S trong thời gian 1000 giây, điều đó cho thấy hạn chế của cảm biến là khả năng sử dụng lặp lại của cảm biến.
Các kết quả tương tự với cảm biến SnO2/NiO -5 nm điều này có thể là do NiO đã biến thành NiS. Trong trường hợp này chúng tôi đã thử nghiệm độ đáp ứng khí
76
H2S của cảm biến tại các nồng độ khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau và thấy rằng độ đáp ứng khí của cảm biến tại 200 oC là cao nhất. Đáp ứng của cảm biến tăng từ 77 đến 219 với nồng độ H2S tăng từ 1 ppm đến 10 ppm - Hình 3.14 (D). Tuy nhiên đặc điểm hồi phục kém có thể hạn chế khả năng ứng dụng thực tế của cảm biến.
Hình 3.14. Đặc trưng cảm biến khí H2S (1 ppm ÷ 10 ppm) của dây nano SnO2/NiO - 10 nm tại các nhiệt độ khác nhau (A) 200; (B) 250; (C) 300 oC; (D) đáp ứng theo nồng độ khí.
Tính chọn lọc và độ ổn định của cảm biến chúng tôi nghiên cứu với mẫu cảm biến SnO2/NiO -10 nm và dữ liệu được mô tả trên Hình 3.15 (A), kết quả đã chứng tỏ rằng cảm biến này có tính chọn lọc tốt với khí H2S trong số các khí thử CO, H2, NH3, CH4 và SO2 ở nhiệt độ làm việc tốt nhất là 200 oC. Ngoài ra, cảm biến cũng cho thấy sự ổn định tốt sau 5 chu kỳ như trong Hình 3.15 (B). Những kết quả như vậy cho
77
thấy rằng cảm biến SnO2/NiO-10 nm có hiệu quả cho ứng dụng trong kiểm soát khí H2S nồng độ thấp và độ chọn lọc tốt.
Hình 3.15. Tính chọn lọc (A) và độ ổn định (B) của cảm biến dây nano SnO2/NiO - 10 nm.
Bảng 3.2 tóm tắt các nghiên cứu gần đây về hiệu suất cảm biến của cảm biến khí H2S dựa trên các vật liệu khác nhau. Từ Bảng 3.2 có thể thấy, các oxit kim loại nguyên bản đều cho thấy độ nhạy thấp với khí H2S. Tuy nhiên bằng cách biến tính bề mặt đây nano đã làm cho cảm biến có độ nhạy được tăng cường. Cảm biến SnO2/NiO trong nghiên cứu này cho thấy độ nhạy cao hơn nhiều so với các nghiên cứu khác.
78
Bảng 3.2. Thống kê các nghiên cứu về cảm biến khí H2S.
Thứ tự Cảm biến Điều kiện làm việc S = Ra/Rg Tham khảo
1 α- Fe2O3 5 ppm H2S tại 285 oC 5 [122]
2 α- Fe2O3 5 ppm H2S tại 135 oC
5,8 [123]
3 ZnFe2O3 hạt nano 5 ppm H2S tại 135
oC 15,1 [124] 4 Zn Fe2O4 1 ppm H2S tại 85 oC 39,8 [125] 5 Fe2O3/ZnO 100 ppm H2S tại 250 oC 130 [126] 6 NiO/ZnO 100 ppm H2S tại RT 0,31 [127] 7 Au: Fe2O3 màng mỏng 10 ppm H2S tại 250 oC 6,38 [128] 8 Ag doped CaCu3Ti4O12 màng 10 ppm H2S tại 250 oC 100 [129] 9 Ni doped CaCu3Ti4O12 màng 10 ppm H2S tại 250 oC 120 [130] 10 rGO/ZnFe2O3 sợi nano 1 ppm H2S tại 350 oC 147 [9]
11 Tinh thể nano SnO2
hình Olive
10 ppm H2S tại 240 oC
120 [131]
12 NiO- SnO2 dây nano 1 ppm H2S tại 200 oC
150 Luận án