CHƯƠNG 2 : CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA DÂY NANO SnO2
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này tỏc giả đó thành cụng trong việc chế tạo dõy nano SnO2 bằng phương phỏp bốc bay nhiệt ở nhiệt độ 700-800 oC sử dụng vật liệu nguồn là bột Sn và ở
nhiệt độ 920-980 oC sử dụng dụng bột SnO. Cỏc quy trỡnh này cú nhiều ưu điểm như đơn
giản, dễ chế tạo, độ lặp lại cao và cú thể điều khiển chiều dài và đường kớnh dõy nano. Một ưu điểm nổi bật trong quy trỡnh chế tạo dõy nano của chỳng tụi là khụng cần sử dụng khớ mang nờn vật liệu cú thể mọc ở cả hai phớa của vật liệu nguồn với chất lượng tương đối đồng đều. Đặc biệt là quy trỡnh này dễ dàng lặp lại trờn cỏc hệ bốc bay nhiệt khỏc nhau. Ngồi ra, chỳng tụi đó tiến hành khảo sỏt hỡnh thỏi, cấu trỳc của vật liệu bằng cỏc kỹ thuật như XRD, FE-SEM, TEM, phổ huỳnh quang, … Cỏc kết quả chỉ ra rằng dõy nano chế tạo được là đơn tinh thể với cấu trỳc pha Rutile, đường kớnh trung bỡnh của dõy nano khoảng 80-150 nm và chiều dài cú thể lờn tới hàng trăm micro một.
Đó khảo sỏt một số yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh chế tạo dõy nano SnO2 bằng phương phỏp bốc bay nhiệt như tốc độ nõng nhiệt, thời gian mọc và chiều dày lớp xỳc tỏc. Trờn cơ sở cỏc kết quả khảo sỏt, chỳng tụi tỡm ra được cỏc điều kiện cụng nghệ tối ưu cho quy trỡnh chế tạo dõy nano là tốc độ nõng nhiệt là 30 độ/phỳt, chiều dày lớp xỳc tỏc Au là 5 nm. Đối với thời gian mọc thỡ tựy theo định hướng ứng dụng khỏc nhau sẽ điều chỉnh sao cho phự hợp nhất.
Đó chế tạo thành cụng cảm biến khớ trờn cơ sở dõy nano SnO2 bằng 4 phương phỏp là cạo phủ, nhỏ phủ, mọc trực tiếp lờn điện cực kiểu bắc cầu và mạng lưới cũng như khảo sỏt tớnh chất nhạy khớ NO2 của cảm biến. Trong đú phương phỏp chế tạo bằng cỏch mọc trực tiếp dõy nano lờn điện cực kiểu bắc cầu và kiểu mạng lưới cú độ đỏp ứng khớ được cải thiện đỏng kể, đõy là một phỏt hiện cú ý nghĩa quan trọng của luận ỏn.
72
CHƯƠNG 3:
CẢM BIẾN KHÍ CO2 TRấN CƠ SỞ DÂY NANO
SnO2 BIẾN TÍNH LaOCl
3.1. Mở đầu
3.1.1. Giới thiệu về khớ CO2
Điụxớt cacbon hay khớ cacbonic (CO2) là một chất ở điều kiện bỡnh thường cú dạng khớ , nú đ ư ợ c s i n h r a từ nhiều nguồn khỏc nhau, như tho ỏt ra từ cỏc nỳi lửa, sản phẩm của quỏ trỡnh chỏy cỏc hợp chất hữu cơ [31]. Tuy nhiờn, phần lớn lượng khớ CO2 phỏt thải cú liờn quan đến cỏc hoạt động của con người như sử dụng cỏc loại nhiờn liệu húa thạch (dầu mỏ, than đỏ, khớ tự nhiờn) để tạo ra năng lượng và sử dụng trong giao thụng cũng như cỏc quỏ trỡnh sản xuất trong cụng nghiệp. Theo số liệu thống kờ của Cơ quan Bảo vệ Mụi trường Hoa Kỳ, từ năm 1990 đến 2011 thỡ lượng khớ CO2 phỏt thải tăng 10 %, và chỉ tớnh riờng năm 2011, 84 % lượng khớ gõy hiệu ứng nhà kớnh là do sự phỏt thải khớ CO2 liờn quan đến hoạt động của con người. Cỏc nguồn chớnh tạo ra khớ CO2 cú thể kể đến như sản xuất điện chiếm 38 %, giao thụng là 31 %, sản xuất cụng nghiệp cũng đúng gúp 14 % và phần cũn lại đến từ cỏc hộ gia đỡnh và một số hoạt động khỏc [51]. Ngoài ra, quỏ trỡnh chỏy của một số vật liệu chỏy cũng tạo ra khớ CO2 như được chỉ ra ở Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Sản phẩm chỏy của một số loại chất chỏy [31]
Vật liệu chỏy Thành phần sản phẩm chỏy
Gỗ sồi
CO2, CO, H2, H2O, NO, NO2, CH4, C2H2, C2H6, Styrol, Chlorobenzen, v.v.
Gỗ sồi (chỏy õm ỉ)
CO, H2, H2O, NO, CO2, CH4, C2H6, C6H6, toluol, xylen,
styrol, chlorobenzen, acrolein, formaldehyd, axit formic, axit acetic, v.v.
Cotton (chỏy õm ỉ) CO, H2, NO, CO2, H2O, CH4, C2H2, C2H6, C6H6,
acetaldehyd, formaldehyd, etanol, vv
Bọt polyurethan CO2, CO, H2O, NO, NO2, N2O, HCN, NH3, amin, C2H6,
styrol, aceton, v.v. n-heptan
(3% toluol)
CO2, CO, H2, H2O, NO, NO2, C2H6, styrol, etanol, octan, chlorobenzen, hexan, v.v.
73
Mặc dự CO2 là loại khớ khụng quỏ độc hại, nhưng chỳng cũng gõy ra một số tỏc dụng khụng mong muốn cho con người, chẳng hạn gõy buồn ngủ khi ở nồng độ cao [132]. Bờn cạnh đú, khi nồng độ khớ CO2 trong khụng khớ tăng lờn thỡ sẽ làm giảm lượng khớ O2 trong khụng khớ nờn sẽ ảnh hưởng đến quỏ trỡnh hụ hấp của con người. Bảng 3.2 chỉ ra ảnh hưởng của khớ CO2 đến sức khỏe con người theo nồng độ và thời gian tiếp xỳc khỏc nhau.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của khớ CO2 đến sức khỏe con người [42]
Nồng độ khớ CO2
(%)
Thời gian
tiếp xỳc Mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người
0,035 - Nồng độ khớ trong mụi trường sống
3 > 15 giờ Giảm tầm nhỡn vào buổi tối
3,3-5,4 15 phỳt Thở sõu tăng, mệt mỏi
7,5 15 phỳt Cảm giỏc khú thở, đau đầu, chúng mặt, vó mồ hụi, bồn
chồn
10 1,5 phỳt Hoa mắt, hoạt động của cơ bắp tăng, co giật
> 10 Ngắn Khú thở, thớnh giỏc tổn thương, buồn nụn, khú chịu, nhiều
mồ hụi, và mất khả năng nhận thức sau 15 phỳt
30 Ngắn Mất khả năng nhận thức, co giật. Cú thể dẫn đến tử vong
3.1.2. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu cảm biến khớ CO2
Trong những năm gần đõy, quỏ trỡnh cụng nghiệp húa, hiện đại húa đang diễn ra ngày càng nhanh, bờn cạnh những mặt tớch cực mà nú mang lại như làm cho đời sống vật chất và tinh thần của con người ngày một tăng lờn, tạo ra nhiều việc làm cho người dõn, v.v. Tuy nhiờn, một trong những hệ lụy mà nú mang lại là mụi trường ngày càng bị ụ nhiễm nghiờm trọng trong đú phải kể đến khớ CO2. Thụng thường khớ CO2 cú mặt trong khụng khớ với nồng độ 388 ppm. CO2 là khớ gõy ra hiệu ứng nhà kớnh và hệ quả của nú là sự núng lờn của trỏi đất. Cỏc số liệu thống kờ đó chỉ ra rằng, từ năm 1958 đến nay, nồng độ khớ CO2 trong khụng khớ tăng lờn đỏng kể do cỏc hoạt động của con người gõy ra [95]. Nồng độ khớ CO2 cho phộp trong mụi trường làm việc bảo đảm sức khỏe ở mức 5000 ppm [29]. Việc kiểm soỏt tốt nồng độ khớ CO2 trong mụi trường sống cũng như trong cỏc quỏ trỡnh sản xuất cú liờn quan đến sự phỏt thải của nú, từ đú đưa ra cỏc giải phỏp can thiệp kịp thời là hết sức cần thiết.
74
Cảm biến khớ CO2 được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau như kiểm soỏt chất lượng khụng khớ trong cụng nghiệp, nụng nghiệp, chế biến thực phẩm cũng như trong cảnh bỏo nguy cơ chỏy, nổ. Patel và cỏc cộng sự đó phỏt triển được cảm biến đo khớ CO2 trờn cơ sở màng mỏng ITO [89]. Loại cảm biến này cú thể đo nồng độ khớ CO2 trong dải từ 200 ppm đến 1000 ppm, ở nhiệt độ làm việc tối ưu là 300 oC. Hoefer và cộng sự đó phỏt hiện ra rằng cảm biến sử dụng vật liệu SnO2 cú thể đo khớ CO2 ở dải nồng độ từ 1000-10.000 ppm, ở nhiệt độ làm việc là 270 oC [135]. Tuy nhiờn, loại cảm biến này cú độ nhạy tốt trong dải nồng độ từ 2000 đến 5000 ppm, ngoài khoảng này độ nhạy của cảm biến rất kộm. Độ nhạy của cảm biến loại này là như nhau khi đo nồng độ 1000 ppm và 2000 ppm CO2. Gần đõy, Kim và cộng sự đó cải thiện đặc trưng nhạy khớ CO2 của cảm biến sử dụng vật liệu SnO2 pha tạp với La2O3 và xử lý nhiệt ở nhiệt độ 1000 oC [32]. Độ nhạy của cảm biến này tăng lờn đỏng kể. Tuy nhiờn, độ chọn lọc của cảm biến loại này chưa được nghiờn cứu. Hơn thế nữa, nhiệt độ xử lý 1000 oC là quỏ cao đối với một số loại điện cực. Ngoài ra, một số vật liệu bỏn dẫn khụng truyền thống cũng đó được nghiờn cứu nhằm ứng dụng cho cảm biến khớ CO2. Lee và cộng sự đó nghiờn cứu cảm biến khớ CO2 trờn cơ sở vật liệu BaTiO3 và BaTiO3- La2O3 [86]. Cảm biến loại này cú độ nhạy khỏ cao, tuy nhiờn chỳng hoạt động ở nhiệt độ rất cao khoảng 550 oC.
Krishnakumar và cộng sự đó chế tạo cảm biến khớ CO2 trờn cơ sở dõy nano CdO chế tạo bằng phương phỏp húa học [130]. Cảm biến này hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp (250 oC), thời gian đỏp ứng và hồi phục khỏ ngắn. Tuy nhiờn, cảm biến này hoạt động ở dải nồng độ tương đối cao từ 2000-50.000 ppm thể tớch khớ CO2. Ngồi ra, Mulmi đó thành cụng trong việc chế tạo cảm biến trờn cơ sở vật liệu perovskite cú khả năng nhạy với khớ CO2 ở nồng độ thấp (0-1500 ppm) [127]. Cảm biến này lại cú hạn chế là nhiệt độ làm việc rất cao (500-700 oC) nờn cụng suất tiờu thụ lớn và khú ứng dụng trong thực tế. Bờn cạnh cảm biến trờn cơ sở vật liệu oxit kim loại bỏn dẫn truyền thống thỡ gần đõy cảm biến khớ CO2 cũn được nghiờn cứu phỏt triển dựa trờn transistor hiệu ứng trường (FET) [71] hoạt động ở nhiệt độ phũng hoặc cảm biến trờn cơ sở súng õm bề mặt (SAW) [26]. Cỏc cảm biến này cú ưu điểm là hoạt động ổn định, nhiệt độ làm việc thấp và cú thể tớch hợp để phỏt hiện đồng thời nhiều loại khớ. Tuy nhiờn, cụng nghệ chế tạo loại cảm biến này tương đối phức tạp.
Marsal và cộng sự đó nghiờn cứu phỏt triển cảm biến CO2 trờn cơ sở vật liệu LaOCl và SnO2 pha tạp LaOCl khỏ thành cụng [8-9]. Cảm biến này khụng những cú độ nhạy cao (cao nhất cho đến nay), mà cũn cú độ chọn lọc khỏ tốt và nhiệt độ làm việc thấp khoảng 260 oC.
75
Vỡ vậy, đõy là một vật liệu tiềm năng cho những nghiờn cứu tiếp theo nhằm ứng dụng cho việc cải thiện tớnh chất cảm biến nhạy khớ CO2.