Nghiên cứu chế tạo ô xít kim loại Zn2SnO4 ứng dụng cho cảm biến hơi hợp chất hữu cơ: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan nội dung của luận án này là công trình nghiên cứu

của riêng tác giả dưới sự hướng dẫn của TS. Chử Mạnh Hưng, GS. TS. Nguyễn

Đức Hòa. Các số liệu và kết quả trong luận án này hoàn toàn trung thực và chưa

được tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày…… tháng……năm 2021

Giáo viên hướng dẫn

TS. Chử Mạnh Hưng

Tác giả

Nguyễn Hồng Hanh

GS. TS. Nguyễn Đức Hòa

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng

dẫn bao gồm TS. Chử Mạnh Hưng, GS. TS. Nguyễn Đức Hòa. Các Thầy đã đóng

góp các ý kiến khoa học quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi

hoàn thành luận án này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS. TS. Nguyễn Văn Hiếu, PGS.TS.

Nguyễn Văn Duy; PGS.TS. Đặng Thị Thanh Lê, TS. Chu Thị Xuân và tập thể

cán bộ Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển và ứng dụng Cảm biến nano đã

luôn nhiệt tình giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm và gợi mở nhiều ý tưởng quan trọng

để tôi thực hiện các nghiên cứu của luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn các nghiên

cứu sinh và học viên cao học của nhóm iSensors đã luôn đồng hành và hỗ trợ tôi

trong quá trình nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu;

Phòng KT & CN Ảnh Nhiệt, Viện Vật lý Kỹ thuật, Viện KH-CN Quân Sự;

Phòng Đào tạo - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi

được học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn Quỹ Đổi mới sáng tạo (VINIF) đã

tài trợ cho nghiên cứu này thông qua đề tài với mã số VINIF. 2019.DA10.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè và đồng

nghiệp đã luôn động viên và chia sẻ để tôi hoàn thành luận án này.

Tác giả

Nguyễn Hồng Hanh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................ vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................. viii

GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 4

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 5

4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 5

5. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................. 6

6. Tính mới của đề tài .......................................................................................... 6

7. Cấu trúc của luận án ........................................................................................ 6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 9

1.1. Tổng quan về cảm biến khí VOCs........................................................... 9

1.1.1. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và mối liên hệ với các bệnh

thường gặp ....................................................................................................... 9

1.1.2. Kỹ thuật phân tích hơi thở ................................................................... 13

1.1.3. Các loại vật liệu nhạy khí VOCs ứng dụng để chế tạo cảm biến ........ 16

1.2. Cảm biến khí VOCs sử dụng ô xít kim loại bán dẫn ........................... 18

1.3. Tình hình nghiên cứu cảm biến khí VOCs dựa trên vật liệu ô xít kim

loại bán dẫn ..................................................................................................... 19

1.4. Cơ chế nhạy khí của vật liệu ô xít kim loại bán dẫn với khí VOCs .......... 30

1.4.1. Đối với ô xít bán dẫn loại n ................................................................. 33

1.4.2. Đối với ô xít bán dẫn loại p ................................................................. 36

1.4.3. Cơ chế nhạy khí của cảm biến ô xít kim loại bán dẫn sử dụng phương

pháp biến tính bề mặt bằng kim loại ............................................................. 38

1.5. Vật liệu ô xít kim loại bán dẫn Zn2SnO4 ............................................... 43

1.5.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu Zn2SnO4................................................ 44

1.5.2. Tính chất điện của vật liệu Zn2SnO4 ................................................... 44

1.5.3. Phương pháp chế tạo vật liệu Zn2SnO4 ............................................... 46

1.5.4. Tình hình nghiên cứu sử dụng vật liệu Zn2SnO4 trong cảm biến khí . 48

1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................... 51

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 52

2.1. Chế tạo vật liệu Zn2SnO4 với hình thái khác nhau bằng phương pháp

thủy nhiệt và quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu Zn2SnO4 ........ 52

2.1.1. Thiết bị và hóa chất để chế tạo Zn2SnO4 ............................................. 52

2.1.2. Quy trình chế tạo Zn2SnO4 có các hình thái khác nhau bằng phương

pháp thủy nhiệt .............................................................................................. 53

2.1.3. Hình thái của điện cực cảm biến ......................................................... 56

2.1.4. Quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu Zn2SnO4 ....................... 56

2.2. Quy trình biến tính hạt nano Platin lên bề mặt Zn2SnO4 bằng phương

pháp nhỏ trực tiếp và chế tạo cảm biến ........................................................ 57

2.2.1. Quy trình chế tạo hạt nano Platin bằng phương pháp polyol .............. 57

2.2.2. Quy trình biến tính hạt nano Platin lên bề mặt Zn2SnO4 và quy trình

chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu biến tính .................................................. 58

2.3. Kỹ thuật phân tích hình thái và vi cấu trúc ......................................... 59

2.4. Khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến ........................................... 60

2.4.1. Phương pháp đo tĩnh ........................................................................... 60

2.4.2. Sơ đồ đo điện của cảm biến ................................................................. 61

2.4.3. Hệ đo tính chất nhạy khí của cảm biến ............................................... 61

2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................... 63

CHƯƠNG 3. HÌNH THÁI, VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ

CỦA VẬT LIỆU Zn2SnO4 TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY

NHIỆT ................................................................................................................. 64

3.1. Các hình thái, vi cấu trúc, tính chất của vật liệu Zn2SnO4 ................. 65

3.1.1. Các hình thái của vật liệu Zn2SnO4 ..................................................... 65

3.1.2. Vi cấu trúc và tính chất của vật liệu Zn2SnO4 ..................................... 71

3.2. Khảo sát tính chất nhạy khí VOCs của cảm biến trên cơ sở vật liệu

Zn2SnO4 có cấu trúc hình thái khác nhau .................................................... 76

3.2.1. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí acetone .......... 78

3.2.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí ethanol .......... 84

3.2.3. Khảo sát đặc trưng nhạy khí của các cảm biến với khí methanol ....... 86

3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................... 95

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT VẬT LIỆU Zn2SnO4

BẰNG HẠT NANO Pt NHẰM CẢI THIỆN KHẢ NĂNG NHẠY KHÍ

ACETONE CHO CẢM BIẾN........................................................................... 97

4.1. Hình thái, vi cấu trúc của hạt Platin ..................................................... 98

4.2. So sánh tính chất nhạy acetone của cảm biến bát diện rỗng bề mặt

dạng hạt và cảm biến bát diện rỗng bề mặt dạng tấm .............................. 100

4.3. Hình thái, vi cấu trúc của vật liệu Zn2SnO4 trước và sau khi biến tính

bề mặt bằng hạt Pt ........................................................................................ 103

4.4. Khảo sát tính chất nhạy khí ................................................................. 108

4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................. 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN ÁN ............................................ 124

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................... 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 128

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo ô xít kim loại Zn2SnO4 nhằm ứng dụng cho cảm biến hơi hợp chất hữu cơ

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi