Nh đã nêu trên, ZnO lƠ v t li u h a h n v i đ nh y cao, đ n đnh và chi phí s n xu t th p, c u trúc nano ZnO đã đ c s d ng r ng rãi đ phát hi n các khí nh H2, NH3, CH4, CO, NO2, etanol, và acetone [82ậ84]. G n đơy, các c u trúc nano ZnO 2D khác nhau v i đ dày g n v i v̀ng đi n tích khơng gian và các m t ti p xúc khác nhau đã đ c t ng h p vƠ đ c ng d ng. S k t h p gi a hi u su t c m bi n tuy t v i c a ZnO v i ti m n ng c u trúc nano βD đã d n đ n hi u qu phát hi n cao, gi m nhi t đ ho t đ ng, kh n ng đáp ng và ph c h i nhanh, đ ng th i c i thi n đ ch n l c [43, 85].
ZnO pha t p Mn (MZO) đ c đi u ch b ng ph ng pháp đ ng k t t a d dƠng vƠ sau đó đ c bi n đ i thêm b ng cách b sung CdO. K t qu cho th y 2,2 mol MZO có ph n ng cao v i c acetone vƠ etanol, trong khi 10 mol CdO đ c kích ho t 1 mol MZO th hi n đ nh y tuy t v i v i etanol và không th b qua ph n ng v i
14
acetone. Sau đó, c m bi n khí MZO vƠ CdOMZO đ c s d ng nh m t c m bi n đ phân bi t n ng đ etanol và acetone trong h n h p v i các t l khác nhau [42].
Trong s các hình thái, m u có hình hoa d ng hình c u th hi n ph n ng r t cao nhi t đ th p (~ 29 β5 °C) đ i v i khí NOx (0,75 ppm) và có tính ch n l c cao đ i v i NOx so v i h n h p khí amoniac (NH3), toluene (C6H5CH3), cacbon monoxit (CO), acetone (CH3COCH3) và etanol (C2H5OH) [86]. Các bơng nano ZnO có m t ti p xúc (10 0) đã đ c t ng h p và th nghi m các đ c tính c m nh n. Ng i ta th y r ng các bông nano ZnO th hi n đ nh y, đ ch n l c vƠ đ b n tuy t v i đ i v i butanol, acetone, fomanđehit, etanol vƠ methanol [62].
Ngoài ra, s phát tri n c a các ph ng pháp hi u qu cho s n xu t b m t đi n c c v t li u nano đ nh h ng theo chi u d c đã d n đ n c i thi n đ b n, kh n ng tái t o cao và t ng hi u su t c m bi n khí. Vi c phát tri n k thu t ch t o tiên ti n h n bao g m ch t k t dính và l ng đ ng v t li u nano là r t c n thi t, vì khâu ch t o thông th ng s khi n v t li u kém b n, tính tái t o th p, vƠ n ng su t h n ch [87]. Bên c nh đó, s h p ph c a acetone, etanol, NH3 và H2O trên dơy nano ZnO đã đ c nghiên c u b ng c th c nghi m và lý thuy t (s d ng DFT) [88]. Giá tr ph n ng cao nh t thu đ c đ i v i NH3 so v i các khí khác.
C ch phát hi n toluene b ng ZnO hình hoa đã đ c nghiên c u b ng th c nghi m. Vai trò c a các phân t oxy trong khí quy n đ i v i c ch c m nh n khí c ng đã đ c nghiên c u b ng th c nghi m và lý thuy t trong tài li u [89, 90]. S h p ph c a các phân t oxy đã t o ra vùng suy gi m electron trên m t vƠ lƠm t ng đi n tr c a ZnO. S h p ph c nh tranh c a acetone và phân t oxy trên m t (10 0) c a màng m ng ZnO đã đ c khám phá, tính tốn b ng cách s d ng lý thuy t phi m hàm m t đ và mô ph ng đ ng l c h c phân t l ng t [90]. K t qu cho th y ta c n t ng nhi t đ đ lo i b oxy trên b m t đ cung c p các v trí ho t đ ng h n cho s h p ph acetone. Ph n ng c a khí đ i v i propanol là cao nh t so v i acetone và butanol trên màng ZnO pha t p Ag nhi t đ t i u β50 °C [91]. Tính ch t đi n t c a acetone h p ph trên ZnO đ n l p nguyên sinh và pha t p kim lo i đã đ c DFT
15
làm sáng t , sai h ng c p c a các nguyên t O và Zn kh i ZnO đ n l p lƠm t ng n ng l ng liên k t hi u qu h n sai h ng đ n, vƠ ch t pha t p Li, Sc vƠ Ti đã c i thi n n ng l ng liên k t h n so v i các kim lo i khác [92]. H n n a, s h p ph c a các khí khác nhau nh etanol, metanol, amoniac, CO, H2, O2 trên ZnO c ng đã đ c DFT làm sáng t thơng qua các tính ch t đi n t [93ậ95].
Nhìn chung, các nghiên c u c m bi n khí VOC d a trên v t li u ZnO đ c nghiên c u r ng rãi và phát tri n nhanh chóng c lý thuy t và th c nghi m, đóng góp nh ng k t qu nh t đnh cho khoa h c. Tuy nhiên, hi n t i ch a có nghiên c u nào s d ng lý thuy t phi m hàm m t đ (DFT) k t h p v i ph ng trình v n chuy n Boltzmann đ tính tốn và kh o sát các tính ch t đi n t và nhi t đi n c a v t li u ZnO ậ nh ng giá tr mang tính so sánh th c nghi m đ̀i h i đo đ c trong th c t nh đ d n đi n, đ d n nhi t đi n t , h s Seebeck. ng th i, các VOC c ng đ c kh o sát đa d ng v nhóm ch c mà các nghiên c u tr c đơy ch nghiên c u vài ch t đi n hình. Cu i c̀ng, đ nh y vƠ đ ch n l c c a acetone so v i các khí khác c ng đ c làm sáng t d a trên hai ph ng phân c c ZnO (0001) và m t không phân c c ZnO (11 0) nghiên c u này.
16
CH NGă3ăPH NGăPHỄP NGHIÊN C U
Nh chúng ta đã bi t, m i tính ch t v h (n ng l ng, c u trúc, ph kích thích…) có th đ t đ c t vi c gi i hàm sóng ph ng trình Schrưdinger, mà hàm sóng chính xác ch có th đ c tính cho h nh . V i nh ng h l n có nhi u h t, ph ng trình Schrưdinger tr nên ph c t p và c n đ c gi i g n đúng.
Ngày nay, gi i ph ng trình Schrưdinger cho đi n t có th áp d ng b ng nhi u cách đ lƠm đ n gi n hóa ph ng trình. M t s ph ng pháp c th nh : ph ng pháp Hartree-Fock, lý thuy t nhi u lo n Møller-Plesset, ... [96]. Nh ng cách ti p c n này khá thành cơng trong hóa lý thuy t cho nh ng h nh nh ng có nhi u h n ch cho nh ng h l n h n. B i vì hƠm sóng lƠ đ i l ng ph c t p, ph thu c vào 3N bi n t a đ không gian (N là s đi n t trong h ). Do đó, các ph ng pháp d a trên hàm sóng h nhi u h t làm h n ch kích th c c a h , th m chí các h v i hàng tr m nguyên t d n đ n b sóng c s s r t l n v t quá gi i h n có th gi i đ c trong th c t . Vì v y, Ủ t ng đ t ra c a ph ng pháp lỦ thuy t phi m hàm m t đ (DFT) [96, 97] là thay th hàm sóng N-đi n t ch a 4N bi n (g m 3N bi n không gian và N bi n spin) b ng đ i l ng đ n gi n h n lƠ hƠm m t đ đi n t ch a ba bi n không gian và không ph thu c vào s đi n t c a h . i u này cho phép ph ng pháp DFT đ c áp d ng vào các h l n h n nhi u.
T n m 1980 đ n nay, cùng v i s phát tri n t c đ tính tốn c a máy tính đi n t , lý thuy t DFT đ c s d ng r ng rãi và hi u qu trong các ngành khoa h c nh : v t lý ch t r n, hóa h c l ng t , v t lý sinh h c, khoa h c v t li u, … [98]. ó c ng lƠ lỦ do ph ng pháp DFT đ c dùng trong nghiên c u c a lu n v n nƠy. M t ph n lý thuy t trong ch ng nƠy, chúng tơi có s d ng tài li u Bài gi ng “Tính tốn c u trúc đi n t ” c a PGS.TS. Ng c S n, Tr ng i h c Bách Khoa ậ i H c Qu c Gia TP.HCM.
17