0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 B A A A A B B B B A PPy SWNTs Đ ộ nhạ y (%) Thời gian (phút) PPy/SWNTs
Hỡnh 4.11.Độ nhạy ở nhiệt độ phũng của PPy, SWNTs thuần và nanocomposite PPy/SWNTs ở nồng độ 750 ppm NH3 (A: NH3 bơm khớ, B: NH3 mở thụng với khụng khớ)
Hỡnh 4.11 cho biết kết quả đo độ nhạy của cỏc vật liệu PPy, SWNTs thuần và nanocomposite PPy/SWNTs khi tiếp xỳc với khớ khử NH3 ở nhiệt độ phũng. Cú thể thấy ở nồng độ 750 ppm NH3 màng SWNTs cú độ nhạy 80 %, màng PPy cú độ nhạy 110 %, cũn
105
màng nanocomposite PPy/SWNTs cú độ nhạy rất lớn 1000 %, gấp khoảng 10 lần so với PPy, SWNTs thuần.
Đo thời gian đỏp ứng và hồi phục tƣơng ứng với cỏc mẫu vật liệu nghiờn cứu đƣợc cho ở Bảng 4.1. Thời gian đỏp ứng của nanocomposite PPy/SWNTs lớn hơn so với PPy và SWNTs. Nhƣng nếu xột trong khoảng thời gian đỏp ứng của PPy là 15 s thỡ lỳc đú PPy/SWNTs đó cú độ nhạy lớn là 400 %, nghĩa là nanocomposite PPy/SWNTs cú độ đỏp ứng nhanh hơn so với PPy và SWNTs thuần. Kết quả đo thời gian hồi phục của nanocomposite PPy/SWNTs và SWNTs là nhƣ nhau bằng 20 s, lớn hơn so với PPy thuần là 8 s. Nhƣ vậy là SWNTs đó làm tăng thời gian đỏp ứng, thời gian hồi phục của nanocomposite PPy/SWNTs. Tuy nhiờn, sự ảnh hƣởng lớn nhất của SWNTs trong nanocomposite PPy/SWNTs là làm tăng độ nhạy lờn 10 lần.
Bảng 4.1.Độ nhạy, thời gian đỏp ứng, thời gian hồi phục của PPy, SWNTs thuần và nanocomposite PPy/SWNTs với 750 ppm NH3 ở nhiệt độ phũng
Vật liệu Độ nhạy (%) với NH3 ở 750 ppm
Thời gian đỏp ứng (giõy)
Thời gian hồi phục (giõy)
PPy 110 15 8
SWNTs 80 40 20
PPy/SWNTs 1000 415 20
Sự tƣơng tỏc NH3 đƣợc cho là do cỏc điện tử đƣợc đƣa vào vựng húa trị của SWNTs và PPy (bỏn dẫn loại p), dẫn đến làm giảm tớnh dẫn điện của vật liệu. Theo quan điểm húa học, độ nhạy khớ liờn quan đến số lƣợng cỏc phõn tử bị hấp thụ trờn bề mặt vật liệu. Đối với trƣờng hợp của mẫu cảm biến khớ PPy, SWNT và PPy/SWNTs, độ dẫn biến đổi dựa vào sự tiếp nhận hoặc nhƣờng điện tử từ mụi trƣờng khớ tiếp xỳc, điều này dựa trờn bản chất của khớ hấp phụ (khớ cú tớnh ụxy húa hoặc khử).
Ta cú thể biểu diễn phƣơng trỡnh sự hấp phụ, giải hấp phụ và điện trở của PPy nhƣ Hỡnh 4.12 sau.
(4.1)
106
Đối với SWNTs cú quỏ trỡnh hấp phụ vật lý và hấp phụ húa học, trong đú hấp phụ húa học xảy ra ở vị trớ khiếm khuyết trờn bề mặt và cỏc khuyết tật của CNTs là khụng thể trỏnh khỏi trong quỏ trỡnh tổng hợp và cỏc quỏ trỡnh làm sạch [151]. Do đú, hấp phụ húa học NH3 trờn CNTs hầu nhƣ khụng đƣợc loại bỏ sau khi tiếp xỳc với khụng khớ, dẫn đến thời gian đỏp ứng và hồi phục chậm của cỏc cảm biến dựa CNTs. Tỏc giả J. A. Robinson [151] cũn cho biết điều chỉnh quỏ trỡnh ụxy húa xảy ra ở vị trớ cỏc khuyết tật cú thể nõng cao độ nhạy của SWNTs với cỏc hơi húa học khỏc nhau. Cũn đối với màng PPy/SWNTs quỏ trỡnh hấp phụ khớ NH3 nhƣ trờn chỉ cú thể là hấp phụ vật lý do cỏc SWNTs bị bao bọc bởi cỏc PPy và cỏc vị trớ khuyết tật trờn bề mặt của SWNTs đó đƣợc liờn kết với PPy trong quỏ trỡnh trựng hợp.
Nhƣ vậy, nanocomposite PPy/SWNTs đƣợc chỳng tụi chế tạo cho thấy thời gian phục hồi ngắn hơn so với cỏc cảm biến PPy đó đƣợc cụng bố trong cỏc bài bỏo trƣớc đõy ([62], [64], [87]). Tỏc giả S.C. Hernandez [62] cho biết PPy đƣợc chế tạo dạng sợi bằng phƣơng phỏp khuõn mẫu cú thời gian hồi phục dài là 15 phỳt, thời gian đỏp ứng khoảng 10 phỳt và phụ thuộc nồng độ khớ NH3, đồng thời tỏc giả khẳng định là khụng cú sự đảo ngƣợc hoàn toàn quỏ trỡnh cho - nhận điện tử giữa PPy và NH3. Tỏc giả N.V. Hiếu [64] cho biết thời gian đỏp ứng khoảng 22 s, thời gian hồi phục của PPy/SWNTs khoảng 38 s. Sự khỏc nhau cú thể là do vật liệu nanocomposite PPy/SWNTs đƣợc chế tạo bằng cỏc phƣơng phỏp khỏc nhau. Một lý do nữa, cú thể là cỏc sợi nanocomposite PPy/SWNTs cú cấu trỳc lừi- vỏ, với lừi là của SWNTs, điều đú cho phộp cỏc phõn tử NH3 đƣợc khuếch tỏn vào- ra khỏi màng composite PPy/SWNTs nhanh hơn so với PPy thuần. Điều này, cũng cú nghĩa là màng nanocomposite PPy/SWNTs đƣợc chế tạo xốp hơn PPy so với cỏc nghiờn cứu trƣớc đõy ([6], [28]). Tỏc giả S.C. Hernandez [62] đó chế tạo đƣợc PPy cú dạng sợi (đƣờng kớnh trung bỡnh 300 nm) cú độ nhạy với khớ NH3 là 0,06 % đối với 1 ppm. Vậy với 750 ppm NH3 thỡ độ nhạy là 45 %, tức là nhỏ hơn độ nhạy của màng PPy đƣợc chỳng tụi chế tạo, điều này cú thể là do màng chế tạo xốp hơn vỡ tiểu phõn PPy cú kớch thƣớc nhỏ hơn.
Ngoài ra, SWNTs đƣợc biết đến là vật liệu hấp phụ mạnh của cỏc phõn tử NH3 [27], điều này cú thể làm cho PPy dễ tƣơng tỏc với NH3. Vỡ vậy, đõy cú thể là một đúng gúp của SWNTs trong việc tăng cƣờng độ nhạy của cảm biến nanocomposite PPy/SWNTs. Ta cú thể so sỏnh độ nhạy khớ NH3 của PANi và PPy ở cỏc nồng độ khỏc nhau nhƣ Hỡnh 4.13. Độ nhạy khớ NH3 của màng PPy thấp, trong khi đú độ nhạy của màng PANi cao. Xột về hỡnh thỏi thỡ PANi cú cấu trỳc sợi cũn PPy cú cấu trỳc dạng hạt, chớnh sự khỏc nhau về hỡnh thỏi của PANi và PPy cú thể là một nguyờn nhõn cú thể dẫn đến khả năng hấp phụ khớ NH3 khỏc nhau giữa hai CPs này. Điều này cho thấy, nếu ta tổng hợp đƣợc CPs cú dạng sợi thỡ cú thể tăng độ nhạy của màng.
107 0 1500 3000 4500 6000 7500 9000 0 200 400 600 800 1000 1200 750ppm 300ppm 150ppm 450ppm 600ppm Độ n hạy (%) Thời gian (s) PANi PPy
Hỡnh 4.13.Độ nhạy khớ NH3 ở nhiệt độ phũng của PANi và PPy thuần ở cỏc nồng độ khỏc nhau