1.4. Tổng quan vật liệu oxit kẽm (ZnO)
1.4.4. Ứng dụng cảm biến khí hyđrô trên cơ sở vật liệu ZnO
Vật liệu ZnO là một trong những vật liệu được ứng dụng rộng rãi cho các cảm biến khí với các tính chất lý hóa hấp dẫn như độ bền hóa và nhiệt cao, giá thành rẻ, dễ
chế tạo, mềm dẻo. Nhiều cấu hình khác nhau được nghiên cứu cho cảm biến khí dựa trên vật liệu ZnO như dạng xúc tác [67], tiếp xúc dị chất [38, 39], màng mỏng [44, 45], dạng màng dày [16, 73]. Ngoài các cấu trúc dạng khối hoặc màng, ZnO còn được nghiên cứu ở các cấu trúc một chiều như các dây nano [41], các thanh nano ZnO [47, 49] cho ứng dụng trong các cảm biến khí.
Các cảm biến khí hyđrô cấu trúc nano ZnO như các thanh nano, ống nano, dây nano [51, 53, 54] có nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt lớn, độ nhạy và độ chọn lọc cao, độ bền cơ và nhiệt tốt [11, 35]. Tuy nhiên nó lại đòi hỏi công nghệ chế tạo phức tạp, yêu cầu kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại. Cần thiết phải có các nghiên cứu chế tạo cảm biến trên cơ sở phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và có khả năng hạ giá thành sản phẩm khi thương mại hóa. Với điều kiện thực tế của các trang thiết bị và kinh nghiệm nghiên cứu cảm biến khí nhiều năm của Phòng Cảm biến và Thiết bị đo khí, chúng tôi lựa chọn vật liệu ZnO, là vật liệu đã được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng cảm biến khí, đặc biệt là cảm biến khí hyđrô.
Như đã trình bày ở phấn 1.3, các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu oxit đa tinh thể bị thay đổi bởi tạp chất được thêm vào. Các nguyên tố thêm vào thường bị cô lập ở các biên hạt trong vật liệu và ngăn cản sự phát triển của các hạt sau khi ủ nhiệt. Các tạp chất tạo ra các sai hỏng, điều này tác động tới vị trí của mức Fermi đồng thời cải thiện tính nhạy khí. Các tạp chất thường được thêm vào là Pt, Pd, Ru, Ag… Wang [57] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chất xúc tác kim loại Pd, Au, Ag, Ti, Ni lên tính chất nhạy khí hyđrô của ZnO, kết quả cho thấy mẫu pha tạp Pd cho độ nhạy cao nhất. Malyshev [74] cũng cho kết quả độ nhạy (độ chọn lọc) với khí hyđrô cải thiện đáng kể khi pha tạp Pd (xem hình 1.19). Các nghiên cứu đều cho thấy chất xúc tác Pd cho độ nhạy hyđrô tốt nhất, điều này phù hợp với nhũng hiểu biết về tính tan của hyđrô trong Pd và khả năng hấp phụ hyđrô của Pd là lớn nhất[1].
Hình 1.20. Độ nhạy theo nhiệt độ hoạt động của các cảm biến SnO2 pha tạp các
vật liệu xúc tác khác nhau [74]
Mặc dù các cảm biến sử dụng vật liệu ZnO dạng thanh nano, sợi nano có sự đáp ứng và độ chọn lọc với hyđrô cao, thời gian đáp ngắn, có khả năng phát hiện nồng độ khí thấp; song rào cản lớn nhất là rất khó khăn để chế tạo các thanh hoặc sợi nano, đòi hỏi các công nghệ và thiết bị hiện đại, đắt tiền.
Kết luận chương 1:
Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các tài liệu tham khảo, với mục đích chế tạo cảm biến và thiết bị đo có khả năng phát hiện và đo đạc khí hyđrô trong dải nồng độ cao (0-100 %LEL, tương đương với 0-4% thể tích trong không khí), chúng tôi đã lựa chọn vật liệu nano tinh thể ZnO pha tạp Pd để chế tạo cảm biến hyđrô kiểu xúc tác. Một yêu cầu quan trọng trong việc nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và cảm biến là có thể thực hiện được trong điều kiện của phòng thí nghiệm ở Việt nam, đồng thời có khả năng làm giảm giá thành cảm biến, thiết bị đo khí hyđrô và phát triển ứng dụng các sản phẩm này ở trong nước.
Chương 2. Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu vật liệu và cảm biến khí hyđrô
Các tính chất đặc trưng của vật liệu (cấu trúc tinh thể của vật liệu, hình thái học bề mặt và diện tích bề mặt) có vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu. Cấu trúc của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), bề mặt vật liệu được khảo sát bằng phương pháp SEM, diện tích bề mặt được đánh giá bằng phương pháp BET.