3.4. NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH CẢM BIẾN KHÍ CỦA VLĐC SnO 2
3.4.4. Độ nhạy khí của vật liệu tổng hợp PS và UR đối với khí hydro
Hình 3.44a trình bày sự thay đổi điện trở của cảm biến khí PS ở các nhiệt độ khác nhau. Khi nhiệt độ nhỏ hơn 350 oC, điện trở vật liệu cho giá trị không ổn định nên không đo đƣợc cảm biến khí. Do đó, cảm biến khí H2 của PS đƣợc đo ở 350 oC, 400 oC, 450 oC. Hình 3.44b trình bày sự thay đổi điện trở của cảm biến khí của UR ở các nhiệt độ khác nhau. Khi nhiệt độ nhỏ hơn 300 oC, điện trở vật liệu cho giá trị không ổn định nên không đo đƣợc cảm biến khí. Do đó, cảm biến khí H2 của UR đƣợc đo ở 300 oC, 350 oC, 400 oC, 450 oC. Khi nhiệt độ càng tăng thì UR có giá trị điện trở Ra càng giảm nên độ nhạy khí càng giảm.
Hình 3.44. Sự thay đổi điện trở của các cảm biến theo các nồng độ khí Hydro của mẫu PS và UR hoạt động ở các nhiệt độ khác nhau
Cơ chế cảm biến chung trong trường hợp bán dẫn loại n đối với khí khử có thể áp dụng cho khí hydro. Trước hết hydro hấp phụ lên bề mặt chất bán dẫn. Nó bị ion hoá bằng cách tương tác với oxy bề mặt. Bằng cách này đã đưa các điện tử ở vùng dẫn của vật liệu bán dẫn SnO2. Các phản ứng xảy ra nhƣ sau:
22 2
H H e (3.19)
2
2HO H O2 (3.20)
2
2 2 2
H O H O e (3.21)
Các điện tử đƣợc đƣa vào vùng dẫn, kết quả là làm tăng độ dẫn. Sự hao hụt oxy trong mạng lưới tạo ra sự khuyết tật trong mạng Sn và để duy trì cân bằng điện tích một phần Sn4+ chuyển thành Sn2+ nhƣ nghiên cứu của Manula và cộng sự [83].
0 1000 2000 3000 4000 5000
3000C 3500C 4000C
4500C 2000
Điện trở (k.ohm)
Thêi gian (s) UR
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
3500C
4000C 4500C 20
Điện trở (k.ohm)
Thêi gian (s) PS
Hình 3.45. Cơ chế cảm biến hydro trên vật liệu SnO2 [83]
Hình 3.46. Đường cong động học cảm biến khí và thời gian đáp ứng- phục hồi theo các nồng độ khí Hydro hoạt động ở 400 oC của mẫu PS và UR
Sự phụ thuộc của độ nhạy khí (Ra/Rg) theo các nồng độ khí H2 khác nhau để so sánh thời gian đáp ứng - phục hồi của các mẫu vật liệu, đƣợc minh hoạ ở hình 3.46. Kết quả cho thấy ở cả ba nhiệt độ đo thì PS có thời gian đáp ứng (t1) là t1 = 127 s, và thời gian phục hồi (t2) là t2 = 26 s. Còn UR có thời gian đáp ứng (t1) và thời gian phục hồi (t2) bé dần khi nhiệt độ đo tăng dần, chúng đạt giá trị tối ƣu t1 = 1 s, t2 = 1 s tại 400 oC và 450 oC. Đối với cảm biến khí, tốc độ đáp ứng và thời gian hồi phục càng bé thì hiệu quả hoạt động càng cao. Vì vậy, có thể nói vật liệu UR là vật liệu cảm biến khí H2 thích hợp ở nhiệt độ trên 350 oC.
1 2 3 4 5 6
PS
25ppm 50ppm 100ppm 150ppm 250ppm 1000ppm
Độ nhạy khí (R a/R g)
2 4 6 8 10 12 14 16
UR
Độ nhạy khí (R a/R g)
Thêi gian (s)
Đồ thị sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào nồng độ khí H2 nhƣ hình 3.47.
Hình 3.47. Ảnh hưởng của nồng độ H2 đến độ nhạy khí của PS và UR a. ở 350 oC, b. ở 400 oC, c. ở 450 oC
Bảng 3.15. So sánh cảm biến khí hydro của PS và UR với kết quả của một số tác giả Vật liệu Nồng độ
hydro (ppm)
Nhiệt độ đo (0C)
Độ nhạy khí, S
Thời gian cảm biến (s)
Tài liệu tham khảo
PS 250 350 9,2 67 Nghiên cứu này
UR 250 350 2,2 49 Nghiên cứu này
Pt-doped SnO2 200 100 12 25 Shen Y. [116]
F-doped SnO2 200 320 3 - Han C. H. [42]
0.2 wt%
Ru/SnO2
1000 350 5 70 Liewhiran C.
[66]
2-3 Bông hoa 100 273 2 - Sun P. [124]
-Không được đề cập đến trong bài báo
Theo hình 3.47 nhận thấy khi nồng độ khí H2 tăng thì mức độ bao phủ bề mặt vật liệu của khí H2 càng lớn, làm giảm điện trở (Rg) nên độ nhạy khí S tăng. Độ nhạy khí của PS ổn định tại 350 oC, 400 oC, 450 oC có giá trị lần lƣợt là 9,2; 5,5 và 8,5.
Còn độ nhạy khí của UR đo với khí H2 ở cả ba nhiệt độ xấp xỉ nhau R ≈ 3. Nhƣ vậy, vật liệu tổng hợp PS nhạy khí H2 hơn vật liệu UR đo ở cùng nhiệt độ và nồng độ.
Bảng 3.15 trình bày kết quả so sánh so độ nhạy khí R của PS và UR với Pt- doped SnO2, F-doped SnO2 0.2 wt% Ru/SnO2 của một số tác giả. Dựa vào bảng này nhận thấy rằng độ nhạy khí của vật liệu PS và UR là tương đương với độ nhạy khí của các vật liệu SnO2 đã đƣợc tổng hợp theo các tác giả.
0 200 400 600 800 1000
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 PS
UR (a)
Độ nhạy khí (Ra/Rg)
Nồng độ Hydro (ppm)
0 200 400 600 800 1000
1 2 3 4 5
PS
UR (b)
Độ nhạy khí (Ra/Rg)
Nồng độ Hydro (ppm)
0 200 400 600 800 1000
1 2 3 4 5 6 7 8
9 (c) PS
Độ nhạy khí (R/R)ag UR
Nồng độ Hydro (ppm)
Quá trình nghiên cứu kết quả cảm biến khí của hai loại VLĐC SnO2 cấu trúc đa cấp kiểu 0-3 cầu xốp (PS) và 1-3 lông nhím (UR), chúng tôi nhận thấy rằng vật liệu đa cấp tổng hơp đƣợc có hoạt tính cảm biến đối với ba khí LPG, ethanol và hydro. Vật liệu SnO2 có cấu trúc nano kiểu 0-3 cầu xốp có độ nhạy khí (LPG, ethanol và hydro) cao hơn so với SnO2 có cấu trúc nano kiểu lông nhím 1-3. Tuy nhiên, vật liệu cấu trúc nano kiểu 1-3 lông nhím có hoạt tính cảm biến ở nhiệt độ thấp hơn cũng như thời gian đáp ứng và phục hồi bé hơn (trong trường hợp ethanol và hydro). Điều này có thể liên quan đến sự khác nhau tính chất bề mặt hai loại vật liệu này: độ nhạy khí cao của vật liệu PS là do PS có diện tích bề mặt riêng lớn hơn rất nhiều so với UR. Dạng cầu xốp có trở lực khuếch tán lớn hơn so với cấu trúc kiểu 1-3 lông nhím có trở lực khuếch tán nhỏ hơn, nên thời gian đáp ứng của UR đối với khí ethanol và H2 nhanh hơn so với vật liệu PS. Để có thể ứng dụng trong thực tế các vấn đề nhƣ sự phụ thuộc độ nhạy khí vào độ ẩm, độ chọn lọc, pha tạp các chất xúc tác khác là hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.