Độ nhạy khí của vật liệu tổng hợp PS và UR đối với khí ethanol

3.4. NGHIÊN CỨU HOẠT TÍNH CẢM BIẾN KHÍ CỦA VLĐC SnO 2

3.4.3. Độ nhạy khí của vật liệu tổng hợp PS và UR đối với khí ethanol

Hình 3.41a trình bày sự thay đổi điện trở cảm biến khí của mẫu PS ở các nhiệt độ khác nhau. Khi nhiệt độ nhỏ hơn 400 oC, điện trở vật liệu cho giá trị không ổn định nên không đo đƣợc cảm biến khí. Do đó, cảm biến khí ethanol của mẫu PS đƣợc đo ở 400 oC và 450 oC. Từ hình này cho thấy, đối với cùng nồng độ khí ethanol, ở nhiệt độ thấp thì mức độ giảm điện trở của cảm biến PS lớn hơn và khi

Hình 3.41. Sự thay đổi điện trở của các cảm biến theo các nồng độ khí ethanol hoạt động ở các nhiệt độ của mẫu a. PS và b. UR

Sự thay đổi điện trở của cảm biến UR ở nhiệt độ 250 oC, 300 oC, 350 oC, 400

oC, 450 oC trình bày ở hình 3.41b. Nhiệt độ càng cao thì cảm biến UR càng nhanh đạt điện trở cân bằng. Tuy nhiên, giá trị điện trở giảm dần khi nhiệt độ tăng dần.

Hoạt tính cảm biến của vật liệu phụ thuộc vào mức độ hấp phụ oxy trên bề mặt vật liệu tạo thành O2-, O- (electron depletion). Đây là quá trình hấp phụ hóa học thu nhiệt nên khi nhiệt độ càng cao thì độ nhạy khí càng giảm.

Cũng tương tự như cơ chế cảm biến LPG, cơ chế cảm biến ethanol được giải thích nhƣ sau: Khi đƣa cảm biến vào tiếp xúc không khí, oxy hấp phụ trên bề mặt vật liệu sẽ thu hút các điện tử từ vùng dẫn của SnO2, do ái lực điện tử rất mạnh của nguyên tử oxy và tạo thành O(2ads ). Vì thế, mật độ điện tử trong vùng dẫn điện giảm đáng kể làm cho điện trở tăng lên. Khi đƣa các khí khử nhƣ ethanol vào, phản ứng hoá học sẽ xảy ra giữa C2H5OH và O(2ads ) trên bề mặt. Người ta tìm thấy rằng ethanol bị phân huỷ tạo thành ether, CO và H2O trong khoảng nhiệt độ từ 40 ÷ 420 oC [161]. Các phản ứng có thể xảy ra nhƣ sau:

2

2 5 ( ) ( ) 2 5 ( ) ( )

  

  

gas ads gas ads

C H OH O C H O OH (3.16)

2 5 ( ) 2 5 2 ( ) ( )

2C H Oads (C H ) Oads Oads e (3.17)

2 **

2 5 ( ) ( ) 2 2 0

     

gas ads

C H OH O hole CO H O V (3.18)

Trong đó V0** là cặp điện tử lổ trống oxy. Các phản ứng này đƣa các điện tử vào trong vật liệu SnO2. Các điện tử sinh ra từ phản ứng, làm giảm điện trở của vật liệu khi đƣợc đƣa vào tiếp xúc với khí cần thử.

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 2500C 3000C

3500C

4000C 4500C

5000

Điện trở (k.ohm)

Thêi gian (s) UR

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

20

400oC 450oC

Điện trở (k.ohm)

Thêi gian (s) PS

Chúng tôi xây dựng đường cong động học cảm biến khí theo các nồng độ ethanol của các mẫu ở cùng nhiệt độ theo hình 3.42, để so sánh thời gian đáp ứng - phục hồi của các mẫu SnO2 dạng PS và UR. Nhận thấy rằng, khác với trường hợp khí LPG, thời gian đáp ứng và phục hồi của vật liệu UR đối với ethanol bé hơn so với vật liệụ PS.

Hình 3.42. Đường cong động học cảm biến khí và thời gian đáp ứng- phục hồi theo các nồng độ khí ethanol hoạt động ở 400 oC của mẫu a. PS và b. UR

Sự phụ thuộc của độ nhạy khí theo nồng độ ethanol cũng có qui luật tương tự nhƣ LPG đƣợc trình bày ở hình 3.43. Khi nồng độ khí ethanol tăng thì mức độ bao phủ bề mặt vật liệu của khí ethanol càng lớn, làm giảm điện trở (Rg) nên độ nhạy khí R tăng lên. Độ nhạy khí của PS đo với khí ethanol ở nồng độ 2000 ppm tại 400 oC có giá trị gần nhƣ ổn định là R = 16,5, trong khi đó độ nhạy khí của UR đối với khí ethanol ở nồng độ 2000 ppm tại 450 oC có giá trị tiếp tục tăng.

Khi so sánh độ nhạy khí với khí ethanol ở cùng nồng độ và nhiệt độ thì thấy UR có giá trị lớn hơn so với PS.

2 4 6 8 10 12

(a)

50ppm 100ppm 200ppm 300ppm 500ppm 2000ppm

Độ nhạy khí (R a/R g)

2 4 6 8 10 12 14

16 (b)

Độ nhạy khí (Ra/Rg)

Thêi gian (s)

Hình 3.43. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol đến độ nhạy khí của PS và UR:

a. 400 oC, b. 450 oC

Bảng 3.14 . So sánh cảm biến khí ethanol của PS và UR với kết quả của một số tác giả

Vật liệu

Nồng độ ethanol

(ppm)

Nhiệt độ đo (oC)

Độ nhạy khí, S

Thời gian cảm biến

(s)

Tài liệu tham khảo

PS 500 400 4,3 100 Nghiên cứu này

UR 500 400 15,1 100 Nghiên cứu này

Hạt nano SnO2 200 400 11,5 170 Singh R.C. [115]

SnO2-ZnO 200 300 4,69 72 Kim K.W. [53]

MQTB ZnO-SnO2 100 300 21 3 Song X. [121]

Bảng 3.14 trình bày kết quả so sánh độ nhạy khí R của hai mẫu tổng hợp đƣợc là PS và UR với SnO2 nanoparticles, SnO2-ZnO, mesoporous ZnO–SnO2 của một số tác giả khác. Tuy nhiên, sự so sánh trên chỉ là tương đối vì điều kiện cảm ứng không đồng nhất với nhau nhƣng nhìn chung độ nhạy khí của vật liệu PS và UR là tương đối cao.

0 500 1000 1500 2000

2 4 6 8

10 (b)

PS UR

Độ nhạy khí (Ra/Rg)

Nồng độ ethanol (ppm)

0 500 1000 1500 2000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

(a)

PS UR

Độ nhạy khí (Ra/Rg)

Nồng độ ethanol (ppm)