Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí monoxit cacbon và hydrocacbon trên cơ sở oxit perovskite ABO33

Chia sẻ: Nguyễn Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí monoxit cacbon và hydrocacbon trên cơ sở oxit perovskite ABO33 nhằm nghiên cứu tính chất nhạy khí của oxit đa kim loại trên cơ sở đất hiếm và kim loại chuyển tiếp 3d (LnMO3); nghiên cứu chế tạo cảm biến độ dẫn điện cho khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác cho khí HC dựa trên hệ vật liệu (LnFe1-xCoxO3); nghiên cứu ứng dụng các cảm biến CO và HC trong các thiết bị đo khí.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí monoxit cacbon và hydrocacbon trên cơ sở oxit perovskite ABO33

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ MONOXIT CACBON VÀ HYDROCACBON TRÊN CƠ SỞ OXIT PEROVSKITE ABO3 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu Mã số: 62.44.50.01 Nghiên cứu sinh: Hồ Trường Giang Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Toàn GS. TS. Phan Hồng Khôi Hà Nội, 2012
MỞ ĐẦU Khí CO và HC là các khí độc và khí có khả năng gây cháy nổ có mặt thường xuyên trong môi trường không khí. Vì vậy, việc phân tích định tính hay định lượng các loại khí này trong môi trường không khí là cần thiết và quan trọng. Luận án này tập trung nghiên cứu, chế tạo hai loại cảm biến khí đó là: cảm biến độ dẫn cho khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác cho khí HC. Hai loại cảm biến này đều trên cơ sở vật liệu oxit kim loại và có ưu điểm về: nguyên lý đơn giản, dải đo rộng, độ bền và ổn định cao, thiết kế đơn giản, giá thành rẻ, có khả năng chế tạo hàng loạt, thời gian thực hiện phép đo nhanh, có thể thực hiện đo trực tiếp và trực tuyến trong môi trường cần phân tích khí và dễ ứng dụng cho thiết kế thiết bị đo. Vật liệu Perovskite LnMO3 (với Ln = La, Nd, Sm, Gd, v.v.; M là kim loại chuyển tiếp như V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, v.v.) được quan tâm nhiều cho cảm biến khí. Đây là các vật liệu nhạy khí có ưu điểm về khả năng điều khiển được: tính chất dẫn điện và tính chất nhạy khí. Mục tiêu luận án: (i) Nghiên cứu tính chất nhạy khí của oxit đa kim loại trên cơ sở đất hiếm và kim loại chuyển tiếp 3d (LnMO3). (ii) Nghiên cứu chế tạo cảm biến độ dẫn điện cho khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác cho khí HC dựa trên hệ vật liệu (LnFe1-xCoxO3). Nghiên cứu ứng dụng các cảm biến CO và HC trong các thiết bị đo khí. Phương pháp nghiên cứu: Luận án được tiến hành dựa trên các quá trình nghiên cứu thực nghiệm cùng với phân tích và hệ thống các kết quả đã được công bố. Tính chất nhạy khí của LnFe1-xCoxO3 được nghiên cứu qua các phép đo điện trở của lớp vật liệu nhạy khí dạng màng dầy. Ở đó, lớp màng nhạy khí LnFe1-xCoxO3 và các điện cực được chế tạo theo công nghệ in lưới trên đế Al2O3. Dựa trên các phân 2
tích kết quả nhạy khí của hệ vật liệu để tìm ra vật liệu tối ưu cho thiết kế cảm biến khí CO và HC. Ở đây, các nồng độ khí chuẩn dùng cho nghiên cứu được tạo ra theo nguyên lý trộn thể tích. Nội dung: 1. Tổng quan về cảm biến độ dẫn điện và cảm biến nhiệt xúc tác, bao gồm: nguyên lý, cấu tạo và các tham số ảnh hưởng. 2. Sử dụng các bột oxit đa tinh thể có cấu trúc perovskite là LaFe1-xCoxO3 (với x = 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0) và LnFeO3 (với Ln = La, Nd và Sm) để chế tạo các cảm biến dạng màng dầy bằng phương pháp in lưới. Ở đó, các bột oxit này được tổng hợp theo phương pháp sol-gel citrate với kích thước hạt trong khoảng 30÷50 nm. 3. Nghiên cứu tính chất nhạy khí CO và HC của các cảm biến độ dẫn điện trên cơ sở lớp nhạy khí là LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3. Từ các kết quả này tìm ra vật liệu tối ưu cho thiết kế cảm khí CO và HC. 4. Nghiên cứu chế tạo cảm biến độ dẫn điện khí CO và cảm biến nhiệt xúc tác khí HC cho mục đích ứng dụng trong các thiết bị đo khí. 5. Ứng dụng các cảm biến đã nghiên cứu chế tạo trong thiết bị đo khí. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Cảm biến khí 1.1.2. Cảm biến khí CO trên cơ sở độ dẫn điện 1.1.2.1. Nguyên lý và cấu tạo 3
Hình 1.1 là mô hình về nguyên lý thay đổi độ dẫn điện. Các hạt oxit kim loại (bán dẫn loại n) hấp phụ oxy trên bề mặt. Điện tử dẫn hạt tải phải vượt hoặc xuyên hầm qua lớp điện môi (vùng nghèo) tiếp giáp giữa hai hạt với hàng rào Hình 1.1: Mô hình về nguyên lý về thay đổi độ dẫn điện khi các hạt oxit năng lượng (qVS) để di hấp phụ oxy trên bề mặt. chuyển từ hạt này sang hạt kia. Độ dẫn điện tổng cộng (G) của lớp nhạy khí có dạng công thức sau: G=G0exp(-qVs/kT). Trong đó, G0 là một hằng số tùy thuộc vật liệu nhạy khí, k là Hình 1.2: Cấu hình cơ bản cảm biến hằng số Boltzman và T là khí độ dẫn. nhiệt độ tuyệt đối. Ví dụ, khí khử CO tương tác với ion oxy hấp phụ (O-add ) để tạo thành CO2 và điện tử tự do theo phương trình sau: CO+O-add=CO2+e-. Quá trình này sẽ bơm điện tử trở lại vùng dẫn và làm giảm vùng nghèo do đó làm thay đổi độ dẫn điện G của lớp vật liệu nhạy khí. Hình 1.2 là cấu tạo cơ bản của cảm biến khí độ dẫn điện gồm: lớp nhạy khí, điện cực, bếp vi nhiệt và đế. 1.1.2.2. Các tham số ảnh hưởng tới tính chất nhạy khí 1.1.2.2.1. Điện cực Hình 1.3 là các cấu hình điện cực cảm biến độ dẫn điện. L là khoảng cách giữa hai điện cực và W là độ rộng của điện cực. Vật liệu điện 4
cực cần có tính bền nhiệt và hóa học (như Pt, Pd, Au và Ni). Điện cực đóng vai trò lấy tín hiệu điện và ảnh hưởng đến tính chất nhạy khí của cảm biến. Lựa chọn điện cực Hình 1.3: Các dạng cấu trúc điện cực của cảm biến cần có sự cảm biến khí độ dẫn điện. phù hợp về hệ số dãn nở nhiệt với lớp vật liệu nhạy khí. 1.1.2.2.2. Lớp nhạy khí a) Độ dầy màng nhạy khí Các khí có tính oxy hóa mạnh như O3 hoặc NO2 thường hoạt động trên lớp bề mặt trên của màng nhạy khí. Trong khi đó, khí khử, ví dụ H2 và CO, có tính thẩm thấu và khuếch tán tốt nên có khả năng tương tác được với lớp bên trong của màng nhạy khí. Chiều dầy lớp màng nhạy khí ảnh hưởng độ nhạy, độ ổn định và thời gian hồi đáp của cảm biến. b) Ảnh hưởng kích thước hạt Kích thước hạt lớn: độ nhạy ít phụ thuộc vào kích thước hạt. Kích thước hạt nhỏ: ảnh Hình 1.4: Mô hình các điện trở của hưởng mạnh đến độ nhạy lớp màng nhạy khí. khí. Kích thước hạt rất nhỏ: toàn bộ độ dẫn điện là bị điều khiển bởi vùng điện tích không gian, 5
độ nhạy đạt đến giá trị cực đại. Kích thước hạt càng nhỏ thì ảnh hưởng độ ẩm của cảm biến càng lớn. Thông thường, tính ổn định của cảm biến tăng khi kích thước hạt tăng. c) Ảnh hưởng dạng hạt Mỗi mặt tinh thể liên quan đến tham số về: diện tích bề mặt; mặt độ trạng thái; ví trí các mức năng lượng; phân tử hấp phụ; năng lượng hoạt hóa, vv.. Do vậy, tính chất tương tác khí phụ thuộc mạnh vào hình dáng hạt tinh thể. d) Ảnh hưởng hình thái bề mặt lớp màng nhạy khí Lớp màng nhạy khí là tập hợp liên kết của hạt tinh thể. Điện trở lớp màng nhạy khí khi đó như mô hình chỉ trên hình 1.4 bao gồm: Điện trở của tiếp xúc giữa các hạt (Rc); Điện trở của tiếp xúc giữa các đám hạt (Ra-a); Điện trở tổng cộng của đám hạt (Ragl); Điện trở trong từng nội hạt (Rb). Do vậy, điện trở tổng cộng của cảm biến phụ thuộc vào hình thái của lớp màng nhạy khí và biến đổi theo thời gian hoạt động của cảm biến. e) Chất xúc tác Vật liệu có hoạt tính xúc tác khí tốt thì có tính chất nhạy khí tốt. Tuy nhiên đây không phải là yếu Hình 1.5: Lớp chuyển tiếp giữa tố quyết định cho lựa chọn ứng lớp vật liệu nhạy khí và đế. dụng cảm biến khí. 1.1.2.2.3. Đế Đế được chọn là các vật liệu điện môi, ví dụ: Al2O3, Si-SiO2, MgO, ZrO2, v.v.. Đế cần được lựa chọn theo các tiêu chuẩn sau: phù hợp độ dãn nở nhiệt với lớp vật liệu nhạy khí. Hình 1.5 cho thấy giữa lớp vật liệu nhạy khí và đế luôn tồn tại một lớp chuyển tiếp có định 6
hướng tinh thể ngẫu nhiên, ở đó luôn tồn tại một ứng lực làm phá hỏng liên kết vật liệu nhạy khí và đế. 1.1.3. Cảm biến khí nhiệt xúc tác 1.1.3.1. Nguyên lý và cấu tạo Nguyên lý: Cảm biến nhiệt xúc tác dựa trên nguyên lý nhiệt lượng sinh ra của phản ứng xúc tác giữa oxy hấp phụ (O-add) trên bề mặt vật liệu oxit kim loại Hình 1.6: Cấu trúc của cảm biến nhiệt xúc tác kiểu pellistor. và khí cháy: HC + O-add → H2O + CO2 + Q. Ở đây, Q là nhiệt lượng sinh ra của phản ứng cháy. Nhiệt lượng sinh ra tỷ lệ nồng độ khí cháy. Cấu tạo: Cảm biến loại pellistor gồm hai cuận dây platin. Một cuộn dây đóng vai trò nhạy khí được phủ vật liệu xúc tác nhạy khí. Cuộn thứ hai phủ vật liệu trơ không có hoạt tính xúc tác khí đóng vài trò bù lại sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. Hình 1.6 minh họa cấu tạo bộ phận nhạy khí và sơ đồ mạch điện cầu của cảm biến nhiệt xúc tác. Cuộn Hình 1.7: Đặc tuyến điện áp tín hiệu ra phụ thuộc vào nồng độ khí cháy của cảm dây Pt đóng vai trò bếp biến nhiệt xúc tác. 7
vi nhiệt cung cấp nhiệt lượng cho phản ứng xúc tác xảy ra và vai trò thứ hai của bếp vi nhiệt là ghi nhận sự thay đổi nhiệt lượng. Hình 1.6c sơ đồ mạch cầu Wheatstone lấy tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt xúc tác. Ở đó, Vin là nguồn điện thế cung cấp, Vout là điện thế đầu ra, R là điện trở thuần, phần nhạy khí và phần bù. Đặc trưng điện áp ra Vout phụ thuộc vào nồng độ khí cháy trong môi trường không khí được trình bày trên hình 1.7. Vùng nồng độ từ 0 đến LEL là vùng nồng độ giới hạn cháy nổ mức thấp. UEL là ngưỡng giới hạn cháy nổ trên. Mỗi loại khí cháy có nồng độ LEL÷UEL riêng, ví dụ của methane (CH4) là 5÷15%tt, propane (C3H8) là 2÷9%tt và hydro (H2) là 4÷75%tt. Cảm biến nhiệt xúc tác có thể hoạt động trong môi trường có nhiệt độ từ -20 đến 70 oC, độ ẩm 5÷95 %RH và áp xuất 70÷130 kPa. Cảm biến nhiệt xúc tác có độ chính xác phép đo
để có được kích thước hạt nhỏ và có các dạng hạt khác nhau; giá thành rẻ. 1.2.2. Tính chất nhạy khí phụ thuộc vào cấu hình điện tử Tính chất nhạy khí của vật liệu phụ thuộc nguyên tố kim loại trong hợp chất oxit. Vật liệu oxit kim loại theo cấu hình điện tử ion kim loại dn (với 0≤n≤10) được quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu nhạy khí. Với dn (với 0
thay thế các nguyên tố A và B có bán kính cation thay đổi thì cấu trúc mạng tinh thể lập phương bị méo theo các dạng: trực thoi, mặt thoi, tứ giác, đơn tà và tam tà. Bằng cách kết hợp nhiều kim loại để tạo ra các vật liệu oxit đa kim loại với nhiều tính chất quý báu khác nhau. 1.2.4.3. Tính chất dẫn điện: Cấu trúc điện tử của hệ vật liệu perovskite đất hiếm kim loại chuyển tiếp (LnMO3) phụ thuộc chính vào tương tác ion kim loại chuyển tiếp 3d (M) và ion O2-. Độ dẫn điện được điều khiển: một là, lựa chọn kim loại chuyển tiếp 3d (M) khác nhau để thay đổi cấu hình điện tử dn (n thay đổi) của ion kim loại; hai là, pha tạp (ví dụ, thay thế một phần kim loại hóa trị 2 vào ví trí Ln hoặc M) dẫn đến thay đổi hóa trị ion kim loại chuyển tiếp 3d tức là thay đổi cấu hình điện tử 3d hoặc làm tăng thêm nồng độ hạt tải. 1.2.4.4. Tính chất hấp thụ khí Vật liệu perovskite thể hiện tính hấp thụ khí trên bề mặt, ví dụ như một số khí CO, NOx và O2. Tính chất hấp thụ khí O2 của vật liệu oxit perovskite là quan trọng vì liên quan đến tính chất xúc tác và tính chất nhạy khí. Vật liệu LaMO3 (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) có tính chất hấp thụ khí oxy cực đại với vật liệu có Mn và Co. LaFeO3 có tính hấp thụ thuận nghịch tốt hơn so với các hợp chất của kim loại chuyển tiếp 3d khác. Hệ LnFeO3 (Ln = La, Nd, Sm, Gd và Dy) nhận thấy rằng oxy hấp thụ có xu hướng tăng theo số hiệu nguyên tử đất hiếm và có giá trị cực đại ở mẫu SmFeO3. 1.2.4.5. Tính ổn định Hệ vật liệu LaMO3 (M = V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) trong môi trường khí khử ở vùng nhiệt độ cao nhận thấy rằng tính ổn của hệ vật liệu này tuân theo trật tự LaNiO3
LaVO3. Trong khi đó hệ LnFeO3 độ ổn định giảm theo sự giảm bán ion đất hiếm Ln. 1.2.4.7. Tính chất xúc tác Trong hệ vật liệu đất hiếm-kim loại chuyển tiếp 3d, LnMO3, tính oxy hóa khử ít phụ thuộc vào nguyên tố đất hiếm (Ln) mà phụ thuộc chính vào kim loại chuyển tiếp 3d (M). Hệ LaMO3 (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) tính chất xúc tác khí thể hiện đa dạng và phức tạp. Mức độ mạnh yếu của hoạt tính xúc tác khí tuân theo quy luật là phụ thuộc vào mức độ linh hoạt trong việc chuyển các trạng thái hóa trị của ion kim loại 3d. 1.2.4.8. Cảm biến khí Cảm biến khí trên cơ sở vật liệu oxit perovskite tập trung vào một số loại sau: cảm biến dạng điện hóa; cảm biến dạng độ dẫn và cảm biến dạng nhiệt xúc tác. Cảm biến bán dẫn sử dụng các vật liệu perovskite như: cảm biến hơi cồn, cảm biến CO, NOx, v.v. Có rất nhiều vật liệu perovskite có tính nhạy khí tốt nhưng chỉ ít trong số chúng được lựa chọn để thiết kế cảm biến. Hệ LnMO3 (Ln là kim loại đất hiếm như La, Nd, Sm, Gd, v.v.; M là kim loại 3d như V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) thì LnFeO3 được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1. Vật liệu nhạy khí Các bột oxit nano (kích thước hạt trong khoảng 30÷50 nm) có cấu trúc Hình 2.1: Cấu trúc điện cực và lớp màng nhạy khí kiểu của cảm biến. 11
perovskite: LaFe1-xCoxO3 (với x = 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 và 1,0) và LnFeO3 (với Ln = La, Nd và Sm) được sử dụng cho các nghiên cứu về tính chất nhạy khí, chế tạo cảm biến ứng dụng trong thiết bị đo khí CO và HC. 2.2. Chế tạo cảm biến khí kiểu độ dẫn điện Lớp màng nhạy khí, điện cực và bếp vi nhiệt được chế tạo ở dạng màng dầy bằng phương pháp in lưới. Các bột nano LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 trộn với dung môi hưu cơ để tạo các hồ (keo) dùng Hình 2.2: Ảnh chụp điện cực dưới cho tạo màng nhạy khí trên đế. Pt (a) và bếp vi nhiệt (b) trên đế mặt trên đế Al2O3 Điện cực sử dụng là Pt và đế là Al2O3. Cấu trúc cảm biến được chế tạo theo cấu hình trên hình 2.1. Ở đó, điện cực Pt được phủ mặt trên và mặt dưới của lớp màng nhạy khí. Bếp vi nhiệt Pt Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ trộn khí. được in trên mặt còn lại của đế Al2O3. Các cảm biến sau khi chế tạo được ủ trong môi trường không khí tại nhiệt độ 300 oC trong thời gian 200 giờ. Hình 2.2 ảnh chụp điện cực Pt và bếp vi nhiệt Pt trên đế Al2O3. Nhiệt độ hoạt động của cảm biến được xác định qua cảm biến nhiệt độ Pt100. Các cảm biến được đặt đồng thời trong buồng đo hình trụ có thể tích 1 lít và lưu lượng là 500 mL/phút. 12
2.3. Xây dựng hệ phân tích tính chất nhạy khí Hệ phân tích tính chất nhạy khí được thiết kế theo nguyên lý trộn thể tích. Cơ sở vật chất của hệ thống này gồm có: Nguồn khí chuẩn (CO, CO2, C3H8, C4H10, C6H14, H2, NO2, Hình 2.4: Mạch điện đo điện trở dựa v.v.). Các bộ vi điều khiển trên nguồn dòng (trên) và nguồn thế lưu lượng lập trình được. (dưới). Ống dẫn khí, van đóng mở và van hạ áp. Nguồn thế một chiều lập trình được; nguồn dòng lập trình được; bộ thu số liệu; máy đo độ ẩm; và máy tính PC. Hình 2.3 là sơ đồ nguyên lý của hệ trôn khí dùng cho phân tính chất nhạy khí của cảm biến. 2.4. Phương pháp đo điện trở của lớp màng nhạy khí 2.4.1. Kỹ thuật đo điện trở dựa trên nguồn dòng Sơ đồ nguyên lý mạch điện đo điện trở của cảm biến được chỉ trên hình 2.4 (trên), ở đó Rsensor điện trở của lớp màng nhạy khí cần đo, nguồn dòng không đổi I, và điện thế đo được U. Điện trở của lớp màng nhạy khí Rsensor được xác định qua công thức sau: Rsensor= U/I. 2.4.2. Kỹ thuật đo điện trở dựa trên nguồn thế Hình 2.4 (dưới) là mạch điện đo điện trở của lớp màng nhạy khí dựa trên nguồn thế. Khi đó, điện trở của lớp màng nhạy khí Rsensor được tính theo công thức: Rsensor=R/(U1/U2-1). 2.5. Tham số độ nhạy Độ nhạy (S) của cảm biến được xác định qua điện trở của lớp màng nhạy khí được tính theo công thức sau: S = (RG-RA)/RA×100. Ở đó, RG 13
là điện trở lớp màng nhạy khí trong môi trường có khí tác nhân và RA là điện trở của lớp màng nhạy khí trong môi trường không khí. CHƯƠNG III: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA OXIT PROVSKITE ĐẤT HIẾM KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP 3d 3.1. Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ trong môi trường không khí Hình 3.1: Điện trở của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 tại các nhiệt độ trong môi trường không khí. Hình 3.1 là điện trở của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 tại các nhiệt độ trong môi trường không khí. Điện trở của các cảm biến giảm mạnh theo nhiệt độ. Điện trở của LaFe1-xCoxO3 giảm mạnh khi tăng nồng độ Co. Đặc trưng điện trở của các cảm biến LnFeO3 là khá Hình 3.2: Độ nhạy của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 tại các nhiệt trong 200 ppm CO. 14
giống nhau. Điện trở oxit perovskite phụ thuộc vào sự khuyết thiếu Hình 3.3: Độ nhạy của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 phụ thuộc o ồ của ion đất hiếm. Ngoài ra, chúng còn phụ thuộc vào kim loại chuyển tiếp 3d. Trong hệ LaFe1-xCoxO3, Co3+ có thể chuyển thành Co2+ (làm tăng lỗ trống) do đó điện trở của hệ vật liệu này giảm mạnh khi nồng độ Co. 3.2. Tính chất nhạy khí CO và HC a) Tính chất nhạy khí CO Hình 3.4: Thời gian hồi đáp T90 của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 tại các nhiệt trong 200 ppm CO. 15
Hình 3.2 là các đường độ nhạy (S) phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động tại 200ppm CO của các cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3. Vùng nhiệt độ hoạt động của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 đối với khí CO trong khoảng từ 100÷300oC. Độ nhạy của cảm biến LaFe1- xCoxO3 đối với khí CO tăng mạnh khi Fe được thay thế bởi một phần nhỏ Co. Độ nhạy LaFe1-xCoxO3 giảm mạnh khi nồng độ pha tạp Co lớn. Vùng nhiệt độ mà cảm biến LaFe1-xCoxO3 thể hiện độ nhạy tối ưu có xu hướng dịch dần về phía nhiệt độ thấp khi nồng độ Co tăng. Cảm biến LnFeO3 thể hiện tính chất nhạy khí CO gần như nhau với các nguyên tố đất hiếm khác nhau. Hình 3.3 là các đường độ nhạy biến thiên theo các nồng độ khí CO (100, 200, 300, 400 ppm) của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 tại nhiệt độ 180 oC. Đặc trưng này thể hiện của vật liệu loại p. Hình 3.4 là tổng hợp các thời gian Hình 3.5: Độ nhạy của cảm biến LaFe1- đáp ứng T90 của cảm xCoxO3 và LnFeO3 tại các nhiệt trong 200 ppm một số khí HC. biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 theo các nhiệt độ khác nhau tại 200 ppm khí CO. Trong hệ vật liệu này, T90 của LaFeO3 lớn nhất và giảm mạnh khi Fe được thay thế một phần bằng Co. Cảm biến LnFeO3, T90 giảm theo bán kính ion đất hiếm. 16
b) Tính chất nhạy khí HC: Hình 3.5 là các đường độ nhạy (S) của cảm biến LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động tại 200 ppm các khí CH4, C3H8 và C6H14. Đối với cảm biến LaFe1- xCoxO3: vùng nhiệt độ Hình 3.6: Độ nạy của cảm biến LaFe0,9Co0,1O3 và LnFeO3 tại các nhiệt hoạt động của trong trong 200 ppm các khí CO, CH4, C3H8 và khoảng 150÷300oC; C6H14. vùng nhiệt độ hoạt động tối ưu giảm theo sự tăng nồng độ Co; độ nhạy tăng dần theo trình tự khí CH4La; độ nhạy tăng đối với các khí HC theo trình tự C6H14>C3H8>CH4; vùng nhiệt độ hoạt động tối ưu giảm theo trình tự đất hiếm La
độ nhạy thấp nhất với khí CH4, và có độ nhạy cao hơn với C3H8 và C6H14. Đặc biệt là NdFeO3 và SmFeO3 có độ nhạy khá cao với khí C4H16, giá trị này có thế đạt đến 400 %. Tính chất nhạy khí của các hệ LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 có thể được giải thích dựa trên các cơ sở sau: (1) Nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa khí giảm theo trình tự từ khí CO
dụng để khảo sát độ ổn định về độ nhạy của các cảm biến theo thời gian. Hình 3.7 là độ nhạy LaFe1-xCoxO3 (với x = 0,0; 0,1 và 0,2) và LnFeO3 theo thứ tự số lần lấy mẫu trong môi trường 150 ppm khí CO tại nhiệt độ hoạt động của cảm biến 180 oC. Kết quả này thể hiện độ nhạy của LaFe1-xCoxO3 và LnFeO3 có xu hướng chung là giảm nhẹ theo thời gian hoạt động của cảm biến. Độ ổn định của LaFe1-xCoxO3 giảm theo sự tăng nồng độ Co. Độ ổn định LnFeO3 tăng theo trình tự LaFeO3 < NdFeO3 < SmFeO3. Tính chất ổn định của các hệ vật liệu này liên quan chính đến oxy hấp phụ trên bề mặt. Đối hệ LaFe1- xCoxO3, độ ổn định của vật liệu này giảm theo sự tăng nồng độ Co là do sự không ổn định và tính thuận nghịch kém của ion Co. Trong khi đó với hệ LnFeO3 tính ổn định liên quan sự tối ưu hấp phụ oxy do cấu trúc mạng tinh thể. CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ỨNG DỤNG CHO THIẾT BỊ ĐO KHÍ CO VÀ HC 4.1. Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí CO 4.1.1. Nồng độ khí CO trong môi trường không khí Theo viện quốc gia về an toàn và sức khỏe nghề nghiệp Mỹ (NIOSH) mức ngưỡng giới hạn cao nhất nồng độ CO trong không khí là 35 ppm mà con người có thể làm việc trong 8 giờ. Các thiết bị đo khí CO trong không khí được thiết kế trong dải nồng độ trong khoảng 0÷500 ppm là phù hợp Hình 4.1: Các đường đặc trưng I-V việc phát hiện cảnh báo của các cảm biến tại nhiệt độ 180oC. ngưỡng nồng độ cho an toàn 19
sức khỏe con người. 4.1.2. Thiết kế cảm biến khí CO Bảng 4.1: Vật liệu điện cực và nhạy khí trong cấu trúc cảm biến CO. Các cảm biến được chế tạo theo công nghệ in lưới với các lớp: nhạy khí, chuyển tiếp, điện cực trên đế Al2O3. Bảng 4.1: Điện cực và lớp nhạy khí trong cấu trúc cảm biến CO Điện cực Lớp chuyển tiếp Lớp nhạy khí Ký hiệu Pt Pt LaFe0,9Co0,1O3 Pt-LFC1 Pt LaFe0,2Co0,8O3 LaFe0,9Co0,1O3 Pt-LFC8-LFC1 LaNiO3 LaNiO3 LaFe0,9Co0,1O3 LN-LFC1 LaNiO3 LaFe0,2Co0,8O3 LaFe0,9Co0,1O3 LN-LFC8-LFC1 4.1.3. Đặc trưng I-V của cảm biến CO trên cơ sở LaFe0,9Co0,1O3. Hình 4.1 là các đường đặc trưng I-V của các mẫu Pt- LFC1, Pt-LFC8-LFC1, LN-LFC1 và LN-LFC8- LFC1 tại các nhiệt độ 180 o C. Các đường đặc trưng thể hiện là khá tuyến tính và đối xứng. Các cảm Hình 4.2: Điện trở của cảm biến Pt- biến với lớp điện cực oxit LFC1 và Pt-LFC8-LFC1 thay đổi theo thời gian hoạt động tại 150 oC trong LaNiO3 hay không khí. LaFe0.2Co0.8O3 có điện trở tiếp xúc giảm rõ rệt so với cảm biến chỉ có điện cực Pt. 4.1.4. Độ ổn định và độ già hóa Hình 4.2 là điện trở của hai cảm biến Pt-LFC1 và Pt-LFC8-LFC1 biến đổi theo thời gian tại nhiệt độ hoạt động 150 oC. Ở đây, các cảm biến được hoạt động liên tục trong môi trường không khí và tín hiệu 20