CHƯƠNG II : THỰC NGHIỆM
2.1. Chế tạo cảm biến điện hóa
2.1.1. Oxit perovskite sử dụng cho điện cực nhạy khí
Trong luận án này, chúng tôi sử dụng hệ oxit perovskite LaMO3 với M là các kim loại chuyển tiếp 3dgồm Mn, Fe, Co và Ni cho chế tạo điện cực nhạy khí. Để thuận tiện cho chế tạo điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa bằng phương pháp in phủ, các oxit kim loại này thường sử dụng ở dạng bột. Bột oxit LaMO3 có thể tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau điển hình như phương pháp gốm truyền thống (thực hiện nghiền, trộn và nung ủ nhiều lần các oxit kim loại hoặc muối với nhau), phương pháp đồng kết tủa, phương pháp sol-gel, v.v... Trong luận án này chúng tôi đã sử dụng các bột oxit perovskite LaMO3 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel để chế tạo các điện cực nhạy khí.
Hình 2.1: Các bước chế tạo nano-oxit perovskite LaMO3(M= Mn, Fe, Co, Ni) bằng phương pháp sol-gel.
Với phương pháp sol-gel, chúng ta có thể tạo các bột oxit đa kim loại một cách thuận tiện và đạt được kích thước hạt ở kích thước nanô để dễ phân tán đồng đều trong các chất keo hữu cơ. Do đó nó sẽ phù hợp cho việc chế tạo điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa bằng phương pháp in phủ.
Công trình trong luận án đã sử dụng các bột oxit perovskite LaMO3 (M = Mn, Fe, Co, Ni) đều được chế tạo từ phương pháp sol-gel như trong tài liệu [55,57] với các bước thực hiện giống nhau minh họa trên Hình 2.1. Một cách tóm tắt, từ các hóa chất (với độ sạch phân tích) gồm các muối La(NO3)3.6H2O, Mn(NO3)3.6H2O, Fe(NO3)3.6H2O, Co(NO3)3.6H2O và Ni(NO3)3.6H2O (tương ứng với mỗi oxit trong hệ vật liệu LaMO3) được trộn trong axit Citric và Ethylene Glycol theo tỉ lệ mol (La3+
, M3+): (axit Citric): (Ethylene Glycol) = 1: 1: 4 để tạo ra các dung dịch cho quá trình tạo gel.
Nồng độ pH (pH=7) của các hỗn hợp dung dịch này trong quá trình tạo gel được khống chế bằng dung dịch NH4OH 10%. Các dung dịch này đều được khuấy ở nhiệt độ khoảng 80 oC, trong khoảng 4 giờ để tạo ra các keo (gel) đồng nhất. Sau đó, các keo này được sấy ở 150 oC trong 12 giờ để tạo ra các vật liệu xốp (xero-gel).
Tiếp đó, các vật liệu xốp này được nghiền và nung ủ ở 700 oC trong 3 giờ để thu được các bột nano-oxit perovskite LaMO3. Các bột này sẽ trộn với keo hữu cơ để tạo ra dạng mực (paste) dùng để tạo màng nhạy khí của cảm biến điện hóa Pt/YSZ/LaMO3.
Với phương pháp sol-gel, các bột oxit đa kim loại perovskite LaMO3 (M
= Mn, Fe, Co, Ni) dùng cho điện cực nhạy khí đều có cấu trúc tinh thể thuộc kiểu vật liệu perovskite và có kích thước hạt khá giống nhau cỡ vài chục nano- met. Hình 2.2 là minh họa điển hình các kết quả về đặc trưng cơ bản của oxit perovskite (LaFeO3) tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Ở đó, oxit LaFeO3 ở dạng bột với kích thước hạt nanô mét (ảnh SEM chụp trên máy HITACHI S- 4800 (Hình 2.2a).
Hình 2.2b là kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (thực hiện trên máy Brucker D8, Advance) cho thấy oxit đa kim loại LaFeO3 đơn pha với cấu trúc tinh thể kiểu vật liệu perovskite theo số thẻ chuẩn JCPDS: 75-0541.
Các đặc trưng cơ bản của lớp màng điện cực nhạy khí dựa trên các oxit perovskite này của các cảm biến sẽ được trình bày chi tiết ở các chương sau của luận án.