Khảo sát tính nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng của cảm biến khí trên cơ sở vật liệu lai poly-3-hexylthiophene (P3HT)/Graphene/CNT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí NH3 trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. Vật liệu tiền chất P3HT, Graphene, CNT được hòa tan trong dung môi sau đó được trộn cơ học tạo nên tổ hợp vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. P3HT/Graphene/CNT dạng màng được phủ trực tiếp trên đế điện cực lưới ITO bằng phương pháp Drop casting chế tạo linh kiện cảm biến. Kết quả cho thấy cảm biến trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT đáp ứng nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát tính nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng của cảm biến khí trên cơ sở vật liệu lai poly-3-hexylthiophene (P3HT)/Graphene/CNT

Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học KHẢO SÁT TÍNH NHẠY KHÍ NH3 TẠI NHIỆT ĐỘ PHÒNG CỦA CẢM BIẾN KHÍ TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI POLY-3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT)/GRAPHENE/CNT Trần Quang Trung, Nguyễn Tố Quyên*, Trần Thị Trà Giang Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh *Tác giả liên lạc: toquyen.har@gmail.com TÓM TẮT Nghiên cứu và chế tạo cảm biến khí NH3 trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. Vật liệu tiền chất P3HT, Graphene, CNT được hòa tan trong dung môi sau đó được trộn cơ học tạo nên tổ hợp vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT. P3HT/Graphene/CNT dạng màng được phủ trực tiếp trên đế điện cực lưới ITO bằng phương pháp Drop casting chế tạo linh kiện cảm biến. Kết quả cho thấy cảm biến trên cơ sở vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT đáp ứng nhạy khí NH3 tại nhiệt độ phòng. Từ khóa: Cảm biến khí NH3, P3HT/Graphene/CNT; vật liệu lai. INVESTIGATION OF SENSITIVITY POLY-3-HEXYLTHIOPHENE (P3HT)/GRAPHENE/CNT HYBRID MATERIALS - BASED SENSORS FOR AMMONIAC GAS SENSORS AT ROOM TEMPERATURE Tran Quang Trung, Nguyen To Quyen*, Tran Thi Tra Giang University of Science, VNU-HCM *Corresponding authour: toquyen.har@gmail.com ABSTRACT Research and manufacture of NH3 gas sensors based on P3HT/Graphene/CNT hybrid materials. Precursors of P3HT, Graphene, and CNT were dissolved in the solvent and then mechanically blended to form P3HT/Graphene/CNT hybrid materials. The P3HT/Graphene/CNT film is coated directly on the ITO grid electrode base by means of the drop casting method. The results show that the sensor based on P3HT/Graphene/CNT hybrids responds to NH3 sensitive at room temperature. Keywords: Ammoniac gas sensors, hybrid materials, P3HT/Graphene/CNT. TỔNG QUAN Polymer dẫn được các nhà khoa học chế tạo Trong những năm gần đây, có hai vấn đề và nghiên cứu nhằm ứng dụng hiệu quả vào đang là mối quan tâm hàng đầu đó là môi lĩnh vực linh kiện quang điện thay thế các trường và vệ sinh an toàn thực phẩm. Lượng loại bán dẫn vô cơ [2]. Bên cạnh đó, một đặc khí thải độc hại như NH3, NO, NO2,...có tính tuyệt vời khác của chúng chưa được trong môi trường bị ô nhiễm hay sản sinh ra quan tâm là khả năng nhạy và lọc lựa khí từ thực phẩm bẩn, ôi thiu, biến chất. Lượng thông qua những gốc (nhóm chức) khác nhau khí thải độc hại này gây ảnh hưởng nghiêm gắn kết trên chuỗi polymer liên hợp của trọng tới sức khỏe của con người. Các cảm chúng. Đối với định hướng nghiên cứu nhạy biến nhạy khí hiện nay đa số sử dụng vật liệu khí NH3 chúng tôi sử dụng tổ hợp lai là oxide kim loại có tính bán dẫn. Các cảm P3HT/Graphene/CNT trong đó P3HT là vật biến này có độ nhạy cao, tuy nhiên chúng cần liệu truyền lỗ trống dễ dàng nhận điện tử của thời gian dài cho quá trình nhạy khí và giải NH3, ngoài ra P3HT có độ rộng vùng cấm hấp; đặc biệt chúng cần nhiệt độ cho quá với các mức LUMO và HOMO tương thích trình giải hấp [1]. Để giảm nhiệt độ làm việc với các điện cực phổ biến như Al, ITO,... có của cảm biến cũng như dễ dàng trong quá thể dễ dàng thiết kế được linh kiện cảm biến trình sử dụng, cần tìm ra vật liệu có thể thay lấy tín hiệu ra. CNT (cấu trúc nano Carbon thế vật liệu oxide kim loại và đáp ứng yêu dạng ống) đóng vai trò làm cầu nối dẫn điện cầu đặt ra là có khả năng hoạt động tại nhiệt cho các chuỗi P3HT [3] để khắc phục nhược độ phòng. điểm truyền hạt tải bằng cơ chế hopping của 377
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học đại đa số polymer dẫn và vật liệu mới Chuẩn bị dung dịch phủ màng Graphene với cấu trúc nano Carbon dạng Hỗn hợp 10 mg P3HT (Sigma Aldrich) với 2 mảng sẽ giúp CNT phân tán tốt trong P3HT. ml dung môi di-chlorobenzene được đánh Trong bài báo này, chúng tôi hòa tan các vật siêu âm trong 1 giờ, thu được dung dịch có liệu tiền chất với các dung môi thích hợp sau màu cam sáng trong suốt với nồng độ đó trộn cơ học chúng theo các tỉ lệ để tạo tổ 5mg/ml. Hỗn hợp 50mg CNT (ϕ = 20nm, hợp lai. Từ tổ hợp lai tạo được, chúng tôi phủ Sigma Aldrich) với 10ml dung môi NMP màng vật liệu lai P3HT/Graphene/CNT lên được đánh siêu âm trong 6 giờ, thu được đế điện cực lưới ITO bằng phương pháp dung dịch màu đen ở trạng thái huyền phù Drop casting ủ ở nhiệt độ 1800C để loại bỏ với nồng độ 5mg/ml. Để tạo dung dịch hoàn toàn dung môi. Ảnh chụp SEM và phổ Graphene, chúng tôi sử dụng phương pháp XRD cho biết kích thước và cấu trúc hình phân tách pha lỏng [6]. Hỗn hợp 3g Graphite thái học của vật liệu tiền chất và tổ hợp lai. tách lớp trộn với 100ml dung môi NMP được Hệ đo nhạy khí cho phép khảo sát đặc trưng đánh siêu âm trong 36 giờ. Lọc thu hồi được nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu lai 0,5g bột Graphite không phân tán trong dung P3HT/Graphene/CNT. môi NMP thu được dung dịch Graphene màu vàng với nồng độ 25mg/ml. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Hình 1. Điện cực lưới ITO Đế thủy tinh phủ ITO dày 1mm được cắt với đều, tuy vẫn còn xen lẫn những kết tập P3HT kích thước 15mm x 15mm. Hệ thống điện nhỏ vào khoảng 100 nm phân bố đều trên bề cực lưới (6 thanh) giao nhau với khoảng cách mặt nhưng không ảnh hưởng đến cấu trúc 2 thanh là 1 mm như trìn h bày hình. Nâng của tổ hợp lai (dây CNT có độ dài vài chục nhiệt cho đế trong 5 phút, sau đó tiến hành micro). Ảnh SEM của cấu trúc CNT (Hình phủ dung dịch lên đế bằng phương pháp 2b) chứng tỏ rằng màng CNT được ủ ở nhiệt Drop casting rồi ủ trở lại lò với nhiệt độ độ 1800C hoàn toàn không làm sai hỏng cấu 1800C trong 30 phút. Quá trình ủ nhiệt làm trúc cũng như hình thái của vật liệu CNT bay hơi hết dung môi tạo cấu trúc mong này. Ảnh SEM của Graphene chế tạo từ dung muốn, màng có độ dẫn tốt, ổn định. dịch Graphene trong dung môi NMP ủ nhiệt Sau đó khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt ở 1800C cho thấy các mảng tách khá mỏng của chúng thông qua ảnh SEM và phổ XRD. minh chứng tính hiệu quả của phương pháp Khảo sát khả năng nhạy khí của chúng bằng phân tách pha lỏng tách lớp Graphene (Hình hệ đo nhạy khí kín kết nối với máy tính. 2c). Ảnh SEM minh họa cho thấy tổ hợp lai P3HT/CNT (Hình 2d) không có sự phân tán KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN tốt như tổ hợp P3HT/Graphene/CNT (Hình Ảnh SEM (Hình 2a) của mẫu P3HT được ủ 2e). nhiệt 1800C cho thấy màng hình thành khá 378
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Hình 2. Ảnh SEM của màng P3HT (a), CNT (b), Graphene (c), P3HT/CNT (d) và P3HT/Graphene/CNT (e) Bảng 1. Thống kê độ nhạy khí ở lưu lượng 10 sccm của cảm biến P3HT/CNT Mẫu L.lượng Độ nhạy (sccm) (%) I: (10µl) 10 1,62 P3HT=22,4µg CNT=17,6µg Dung dịch 0,5ml P3HT II: (15µl) P3HT=33,6µg 10 2,76 (4mg/ml) CNT=26,4µg + 0,4ml CNT (5mg/ml) III: (20µl) P3HT=44,8µg 10 0,67 CNT=35,2µg Bảng 1 có thể thấy rằng khả năng nhạy khí P3HT có thể xảy ra trường hợp nhiều vị trí của cảm biến của tổ hợp lai P3HT/CNT cho không được điền đầy CNT để làm cầu nối độ nhạy tốt nhất ở mẫu cảm biến II với độ dẫn điện cho P3HT, dẫn đến hạt tải thu được nhạy là 2,76%. từ sự trao đổi điện tích giữa P3HT với khí Khi độ dày màng vật liệu lai trên cảm biến thử không được truyền về điện cực từ đó dẫn tăng lên (mẫu III) thì độ nhạy giảm xuống đến độ nhạy giảm. Ngược lại, khi mẫu quá đáng kể, độ nhạy ở mẫu này chỉ đạt 0,67%. dày lượng CNT chồng chập nhiều nhưng Như vậy mẫu tổ hợp lai P3HT/CNT chỉ đạt không có sự phân tán tốt cũng có thể gây ra hiệu quả cao khi có độ dày màng thích hợp. các hiện tượng bẫy hạt tải, hệ quả là độ nhạy Theo chúng tôi, khi mẫu mỏng với sự phân giảm đáng kể. bố không đồng đều của CNT trong ma trận Hình 3. Đồ thị nhạy khí NH3 của cảm biến P3HT/CNT (II) theo lưu lượng khí thử thay đổi 379
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Bảng 2. Thống kê độ nhạy khí ở lưu lượng 10 sccm của cảm biến P3HT/Graphene/CNT Mẫu L.lượng Độ (sccm) nhạy (%) IIa: P3HT=CNT= 10 2,28 20,1 µg Dung dịch Gra = 100 µg 0,5ml P3HT IIb: (4 mg/ml) P3HT=CNT= 10 3,03 +0,4ml CNT 20,1µg (5mg/ml) Gra = 150 µg +Graphene IIc: (25mg/m) P3HT=CNT= 10 2,07 20,1 µg Gra = 200 µg Kết quả thu được đồ thị nhạy khí theo lưu lại, nếu hàm lượng Graphene quá nhiều thì lượng thay đổi (Hình 3) chứng minh rõ nét sự CNT có thể được bọc nhiều lớp Graphene đáp ứng của cảm biến với lưu lượng khí thay dẫn đến độ phân tán tốt nhưng lại cản trở vai đổi. Đáp ứng tăng/giảm độ nhạy khi lưu trò cầu nối của CNT trong ma trận P3HT, lượng khí thử tăng/giảm nhưng vẫn giải hấp điều này cũng dẫn đến độ nhạy khí thấp. gần như hoàn toàn sau thời gian giải hấp 70 Kết quả thu được đồ thị nhạy khí theo lưu giây không đổi ở mỗi chu kỳ cho thấy khả lượng thay đổi đường màu đỏ (Hình 4) chứng năng giải hấp tốt của vật liệu lai P3HT/CNT minh rõ nét sự đáp ứng của cảm biến với lưu khi ứng dụng làm vật liệu nhạy khí. lượng khí thay đổi. Đáp ứng tăng và giảm độ Bảng 2 cho thấy khi hàm lượng Graphene nhạy khi lưu lượng khí thử tăng và giảm dần cho vừa đủ (trung bình) thì độ nhạy khí của nhưng vẫn giải hấp gần như hoàn toàn sau cảm biến là cao nhất (mẫu IIb). Theo chúng thời gian giải hấp 70 giây không đổi ở mỗi tôi, nếu hàm lượng Graphene ít có thể sẽ chu kỳ cho thấy khả năng giải hấp tốt của vật không bao bọc được hết CNT có thể dẫn đến liệu lai P3HT/Graphene/CNT khi ứng dụng hiện tượng phân tán của CNT trong ma trận vào làm vật liệu nhạy khí. P3HT không cao, nên độ nhạy thấp. Ngược Hình 4. Đồ thị nhạy khí của P3HT/CNT và P3HT/Graphene/CNT theo lưu lượng khí thử thay đổi 380
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học Khi so sánh trực tiếp khả năng đáp ứng nhạy P3HT/Graphene/CNT nhạy khí NH3 cao hơn khí của hai tổ hợp lai theo lưu lượng khí thử so với tổ hợp lai P3HT/CNT. Cụ thể, khả thay đổi (Hình 4), chúng tôi nhận thấy sự năng đáp ứng cũng tăng lên hơn hai lần so vượt trội về tính đáp ứng cũng như khả năng với tổ hợp lai P3HT/CNT. Cảm biến có khả hồi phục của tổ hợp lai P3HT/Graphene/CNT năng phát hiện NH3 với lưu lượng khí thử so với tổ hợp lai P3HT/CNT. thấp nhất của hệ đo (10sccm) với độ nhạy 3,03%. Khả năng đáp ứng của cảm biến khi KẾT LUẬN lưu lượng khí thử thay đổi (tăng/giảm) Chế tạo cảm biến khí trên cơ sở các vật liệu 20sccm là 0,57%. lai trên điện cực lưới ITO và khảo sát khả Độ nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu năng nhạy khí NH3 của chúng, thu được các lai P3HT/Graphene/CNT và P3HT/CNT kết quả chính như sau: Cảm biến khí trên cơ trong nghiên cứu của đề tài tuy chưa cao sở tổ hợp vật liệu lai P3HT/CNT: cảm biến nhưng tính đáp ứng khi lưu lượng khí thử có khả năng phát hiện NH3 với lưu lượng khí thay đổi (tăng/giảm) rất tốt và kết quả thu thử thấp nhất của hệ đo 10sccm (tương ứng được bước đầu đầy hứa hẹn cho việc ứng nồng độ 5ppm) với độ nhạy 2,76%. Khả năng dụng tổ hợp lai P3HT/Graphene/CNT làm đáp ứng của cảm biến khi lưu lượng khí thử cảm biến khí trong thực tiễn ở các nghiên thay đổi (tăng/giảm) 20sccm là 0,28%. Cảm cứu tiếp theo. biến khí trên cơ sở tổ hợp vật liệu lai TÀI LIỆU THAM KHẢO NGUYỄN QUANG LỊCH, NGUYỄN CÔNG TÚ, LÝ TUẤN ANH, TRẦN PHÚC THÀNH, PHAN QUỐC PHÔ, NGUYỄN HỮU LÂM, “Khảo sát tính nhạy khí NH3 chọn lọc tại nhiệt độ phòng sử dụng cảm biến trên cơ sở ống nano cacbon đa thành”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, Tập 15, Số K2- 2012. TRƯƠNG VĂN TÂN, “Vật liệu tiên tiến - Từ Polymer dẫn điện đến ống than Nano”, NXB Trẻ, 2007. 381