Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu WO3 cấu trúc nano bằng phương pháp hóa nhằm ứng dụng trong cảm biến khí NO2 và NH3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> PHẠM VĂN TÕNG<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU WO3 CẤU TRÖC NANO<br /> BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA NHẰM ỨNG DỤNG TRONG<br /> CẢM BIẾN KHÍ NO2 VÀ NH3<br /> <br /> Chuyên ngành: Vật liệu điện tử<br /> Mã số: 62440123<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU<br /> <br /> Hà Nội - 2016<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học:<br /> Hướng dẫn 1: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC HÒA<br /> Hướng dẫn 2: TS. VŨ VĂN QUANG<br /> <br /> Phản biện 1: GS. TS. Nguyễn Năng Định<br /> Phản biện 2: GS. TS. Phan Hồng Khôi<br /> Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng<br /> <br /> Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp<br /> tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Vào hồi............giờ..........ngày........tháng...........năm<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN<br /> 1. Pham Van Tong, Hoang Quoc Khanh, Nguyen Van Hieu, Nguyen Duc Hoa<br /> (ICAMN 2012), Large-scale Tungsten Oxide Nanorods based NO2 Gas<br /> Sensor: Materials Fabrication and Gas-Sensing Characteristics. International<br /> Conference on Advanced Material and Nanotechnology, Ha Noi University of<br /> Science and Technology, p. 24-27.<br /> 2. Pham Van Tong, Nguyen Duc Hoa, Vu Van Quang, Nguyen Van Duy,<br /> Nguyen Van Hieu (2013), Diameter Controlled Synthesis of Tungsten Oxide<br /> Nanorod Bundles for Highly Sensitive NO2 Gas Sensors, Sensors and<br /> Actuators B Chem, 183, pp. 372-380. (IF2011: 3,89).<br /> 3. Lương Trung Sơn, Phạm Văn Tòng, Đỗ Đăng Trung, Nguyễn Thành Đạt, Vũ<br /> Văn Quang, Nguyễn Đức Hòa, Nguyễn Văn Hiếu (SPMS2013), “Chế tạo cảm<br /> biến khí NO2 bằng phương pháp phun phủ trên cơ sở vật liệu nano WO3 tổng<br /> hợp bằng phản ứng thủy nhiệt, Báo cáo tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa<br /> học vật liệu toàn quốc lần thứ 8, Thái Nguyên, tr. 337-340.<br /> 4. Pham Van Tong, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Duc Quang, Nguyen Van Hieu<br /> (2014), Tungsten oxide urchin-flowers and nanobundles: Effect of synthesis<br /> conditions and heat treatment on assembly and gas-sensing<br /> characteristics, Science of Advanced Materials, 6, pp. 1081-1090 (IF2013:<br /> 2,90).<br /> 5. Pham Van Tong, Tran Van Dang, Dinh Van Thiem, Nguyen Duc Hoa,<br /> Nguyen Van Hieu (ICAMN 2014), “Hydrothermal Synthesis of<br /> Nanostructured Tungsten Oxide: Effect of pH on the Morphology and Gassensing Characteristics”, International Conference on Advanced Material and<br /> Nanotechnology, Ha Noi University of Science and Technology, 2014, p. 116120.<br /> 6. Pham Van Tong, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Van Hieu Nguyen<br /> (2015), Micro-wheels Composed of Self-Assembled Tungsten Oxide Nanorods<br /> for Highly Sensitive Detection of Low Level Toxic Chlorine Gas, RSC<br /> Advance, 5, pp. 25204–25207. (IF2013: 3,70).<br /> 7. Phạm Văn Tòng, Chu Thị Quý, Nguyễn Văn Dũng, Lâm Văn Năng, Vũ Văn<br /> Quang, Nguyễn Đức Hòa, Nguyễn Văn Hiếu (SPMS2015), Ảnh hưởng của pH<br /> lên các hình thái khác nhau của vật liệu WO3 nhằm ứng dụng cho cảm biến<br /> khí, Báo cáo tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần<br /> thứ 9, Tp. Hồ Chí Minh, tr.703-707.<br /> 8. Pham Van Tong, Nguyen Duc Hoa, Nguyen Van Duy, Dang Thi Thanh Le,<br /> Nguyen Van Hieu (2016), Enhancement of gas-sensing characteristics of<br /> hydrothermally synthesized WO3 nanorods by surface decoration with Pd<br /> nanoparticles, Sensors and Actuators B Chem, 223, pp. 453-460 (IF2014:<br /> 4,09).<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài<br /> Cảm biến khí đã và đang được nghiên cứu phát triển rất mạnh mẽ vì chúng<br /> được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: phát hiện các loại<br /> khí độc hại (NH3, CO2, H2S, NO2,v.v), khí dễ cháy nổ (H2, CH4, LPG, v.v.), giám<br /> sát lượng khí thải từ các phương tiện giao thông và các quá trình đốt khác, khí<br /> gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CH4), phân tích hơi thở để chẩn đoán bệnh trong y<br /> tế, và kiểm soát chất lượng trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm và<br /> mỹ phẩm [42,56,97,192]. Do đó, việc phát triển các loại cảm biến có khả năng<br /> phát hiện sớm một hàm lượng nhỏ các khí độc từ nồng độ ppb đến ppm là hết<br /> sức cần thiết bởi chúng giúp con người tránh được ảnh hưởng của những chất<br /> độc đó và cải thiện chất lượng môi trường.<br /> Cảm biến khí trên cơ sở sự thay đổi độ dẫn thường có cấu trúc đơn giảm,<br /> dễ chế tạo, chi phí thấp, kết hợp với độ đáp ứng và độ nhạy cao [107,128]. Vật<br /> liệu sử dụng để chế tạo màng nhạy khí thường là vật liệu ôxít kim loại bán dẫn<br /> (MOS) vì nó đáp ứng được các yêu cầu về độ đáp ứng, độ nhạy, độ ổn định và có<br /> thể làm việc được trong môi trường khắc nghiệc có nhiệt độ cao như ZnO, SnO2,<br /> WO3, In2O3, NiO, v.v.. Vật liệu có cấu trúc nano thì có diện tích riêng bề mặt lớn<br /> đồng nghĩa với việc tăng được diện tích hấp phụ khí và có thể tăng được độ<br /> nhạy, độ đáp ứng [37,107,134,137]. Ngoài ra, biến tính bề mặt của các cấu trúc<br /> nano bằng kim loại quý có tính xúc tác như Au, Ag, Pd, v.v. có thể tăng độ đáp<br /> ứng, tăng tính chọn lọc và giảm nhiệt độ làm việc của cảm biến khí [5,14,107].<br /> Trên những cơ sở phân tích trên, tác giả và tập thể hướng dẫn lựa chọn đề<br /> tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu WO3 cấu trúc nano<br /> bằng phương pháp hóa nhằm ứng dụng trong cảm biến khí NO2 và NH3”.<br /> Theo hướng nghiên cứu này, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa<br /> học, ý nghĩa thực tiễn và các kết quả mới đạt được của luận án được trình bày<br /> như sau:<br /> 2. Mục tiêu của luận án: (i) Nghiên cứu tổng hợp thành công các cấu trúc nano<br /> của vật liệu ôxít kim loại bán dẫn WO3 có hình thái khác nhau bằng phương pháp<br /> thủy nhiệt và nhiệt dung môi. Điều khiển được một số hình thái học, kích thước<br /> của các cấu trúc nano bằng chất hoạt động bề mặt, bằng các điều kiện thủy nhiệt<br /> khác nhau như độ pH, nhiệt độ, dung môi. (ii) Chế tạo được các loại cảm biến<br /> trên cơ sở màng nhạy khí là vật liệu nano WO3 có cấu trúc hình thái học khác<br /> nhau. Khảo sát và so sánh tính chất nhạy khí của chúng đối với hai loại khí độc<br /> là NO2 và NH3 để từ đó đưa ra được hướng lựa chọn vật liệu để chế tạo cảm biến<br /> khí có độ đáp ứng cao, độ nhạy và độ chọn lọc cao. (iii) Nghiên cứu biến tính<br /> thành công hạt nano Pd trên bề mặt vật liệu nano WO3 bằng phương pháp hóa,<br /> đồng thời khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu nano WO3<br /> biến tính đối với khí NH3, từ đó có thể phát triển cảm biến NH3 độ nhạy cao. So<br /> sánh các thông số đặc trưng giữa cảm biến trên cơ sở vật liệu nano WO3 không<br /> biến tính với cảm biến trên cơ sở WO3 được biến tính bề mặt bằng hạt nano Pd<br /> 1<br /> <br /> để có những hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế nhạy khí của vật liệu biến tính và<br /> không biến tính.<br /> 3. Phƣơng pháp nghiên cứu: Luận án được thực hiện trên cơ sở các kết quả<br /> nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống các công trình nghiên cứu đã được công bố.<br /> Cụ thể, các phương pháp hóa ướt như thủy nhiệt, nhiệt dung môi và khử trực tiếp<br /> được lựa chọn để chế tạo vật liệu. Các công nghệ màng dày như phun phủ, in<br /> lưới và nhỏ phủ được lựa chọn để chế tạo cảm biến. Hình thái vật liệu, vi cấu<br /> trúc của vật liệu được chúng tôi tiến hành phân tích bằng kính hiển vi điện tử<br /> quét phát xạ trường (FE-SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hiển vi điện tử<br /> truyền qua phân giải cao (HR-TEM) và Giản đồ nhiễu xạ điện tử tia X (XRD).<br /> Tính chất nhạy khí của cảm biến được nghiên cứu qua các phép đo điện trở của<br /> màng nhạy khí theo thời gian trong môi trường không khí khô so với môi trường<br /> khí đo trên hệ đo nhạy khí tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu<br /> (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các nồng độ khí chuẩn dùng cho<br /> nghiên cứu được tạo ra theo nguyên lý trộn thể tích bằng các bộ điều khiển lưu<br /> lượng khí (MFC) từ các khí chuẩn ban đầu.<br /> 4. Ý nghĩa khoa học của luận án: Đóng góp lớn nhất của luận án đó là phát<br /> triển được phương pháp thủy nhiệt, và nhiệt dung môi cho phép chế tạo vật liệu<br /> WO3 với các hình thái khác nhau có thể ứng dụng trong cảm biến khí thế hệ mới.<br /> Luận án cũng đóng góp những hiểu biết quan trọng về các đặc tính nhạy khí của<br /> vật liệu ôxít bán dẫn có cấu trúc nano, cụ thể là vật liệu WO3 và Pd-WO3. Trên<br /> cơ sở những hiểu biết về tính chất nhạy khí của vật liệu ôxít bán dẫn, chúng ta có<br /> thể phát triển được các loại cảm biến khí thế hệ mới trên cơ sở vật liệu ôxít bán<br /> dẫn có cấu trúc nano một chiều với nhiều tính năng vượt trội như độ đáp ứng rất<br /> cao, độ nhạy cao so với các cảm biến khí truyền thống trên cơ sở vật liệu ôxít<br /> bán dẫn dạng khối, dạng màng dầy và dạng màng mỏng.<br /> 5. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Tác giả đã phát triển được các phương pháp<br /> chế tạo vật liệu nano phù hợp với điều kiện công nghệ và thiết bị tại Việt Nam.<br /> Các kết quả nghiên cứu mà luận án đặt được là cơ sở khoa học quan trọng có thể<br /> thu hút được sự tham gia của các nhà khoa học trong và ngoài nước trong việc<br /> lựa chọn các cấu trúc nano thích hợp để phát triển các bộ cảm biến khí có độ đáp<br /> ứng cao, độ nhạy cao để có thể phát hiện được các loại khí độc hại ở nồng độ rất<br /> thấp từ ppb đến ppm nhằm ứng dụng trong một số lĩnh vực như quan trắc môi<br /> trường khí, y tế, an toàn thực phẩn, kiểm soát khí thải cũng như các loại cảm<br /> biến trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng. Ngoài ra, vật liệu chế tạo được cũng có<br /> thể được ứng dụng trong một vài lĩnh vực khác như quang xúc tác, pin mặt trời,<br /> v.v..<br /> 6. Các kết quả mới của luận án đạt đƣợc:<br /> - Bằng phương pháp thủy nhiệt và nhiệt dung môi tác giả đã tổng hợp được<br /> nhiều cấu trúc nano WO3 có hình thái khác nhau. Đặc biệt, bằng phương pháp<br /> thủy nhiệt tác giả đã điều khiển được kích thước và hình thái của bó thanh nano<br /> với các thanh nano có đường kính trung bình khoảng 20 nm. Còn bằng phương<br /> 2<br /> <br />