Đặc trưng nhạy khí ethanol của cảm biến vi cân tinh thể thạch anh phủ vật liệu ống nano các-bon

Bài viết giới thiệu các kết quả nghiên cứu về cảm biến đo hơi ethanol trên cơ sở vi cân thạch anh (QCM) biến tính vật liệu ống nano các-bon (CNTs). Vi cấu trúc và tính chất của vật liệu đã được khảo sát bằng ảnh hiển vi điện tử quét, chiều dài và đường kính dây trung bình trong khoảng 4.52 µm và 75 nm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đặc trưng nhạy khí ethanol của cảm biến vi cân tinh thể thạch anh phủ vật liệu ống nano các-bonTạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 076-080Đặc trưng nhạy khí ethanol của cảm biến vi cân tinh thể thạch anh phủ vậtliệu ống nano các-bon.Ethanol Vapor Sensingproperty Ofquartz Crystal Microbalance Sensor Coated with CarbonNanotubes.Nguyễn Đức Hoàng1, Nguyễn Thành Vinh1,2, Vũ Văn Cát1,3, Nguyễn Văn Toán1*,Đặng Thị Thanh Lê1, Nguyễn Văn Quy1*1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà NộiTrường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải, 54 Triều Khúc, Thanh Xuân, Hà Nội3Trường Trung học phổ thông Kinh Môn 2, Hiệp Sơn, Kinh Môn, Hải DươngĐến Tòa soạn: 20-11-2017; chấp nhận đăng: 18-01-20192Tóm tắtBài báo này giới thiệu các kết quả nghiên cứu về cảm biến đo hơi ethanol trên cơ sở vi cân thạch anh (QCM)biến tính vật liệu ống nano các-bon (CNTs). Vi cấu trúc và tính chất của vật liệu đã được khảo sát bằng ảnhhiển vi điện tử quét, chiều dài và đường kính dây trung bình trong khoảng 4.52 µm và 75 nm. Tính chất nhạykhí của các cảm biến được nghiên cứu một cách có hệ thống trong dải nồng độ khí ethanol từ 5 –25 sccm tạinhiệt độ phòng theo thời gian. Các kết quả nghiên cứu cho thấy cảm biến có thời gian đáp ứng trong khoảng200 – 300 s và có tiềm năng ứng dụng làm cảm biến phát hiện hơi ethanol.Keywords: QCM, CNTs, Cảm biến khí, EthanolAsbstractIn this study, ethanol gas sensor based on a quartz crystal microbalance (QCM) coated with carbon nanotubes(CNTs) was studied. From field-emission scanning electron microscope (FESEM), it was found that theaverage length and diameter of the CNTs were about 4.52 µm and 75 nm, respectively. Further, carbonnanotube coated on a QCM for ethanol gas sensors were fabricated. The gas-sensitivity of sensor was studiedsystematically in concentrations of ethanol vapor range from 5 to 25 sccm at room temperature over time. Theresults show that the sensor has a response time in the range of 200 to 300 seconds and potential applicationin ethanol gas sensor.Keywords: QCM, CNTs, Gas sensor, Ethanol1. Giới thiệuTrong*những năm gần đây, các loại cảm biến sửdụng vi cân tinh thể thạch anh (QCM) đang được cácnhà khoa học trên thế giới hết sức quan tâm. Sự ưu việtcủa QCM về khả năng nhận biết được sự thay đổi khốilượng của một phân tử trên bề mặt và làm việc ở nhiệtđộ phòng đã dần được đưa vào thay thế các linh kiệnkhác tương đương. Ứng dụng của QCM trong lĩnh vựccảm biến cũng hết sức đa dạng và phong phú [1]. FedorN. Dultsev và các cộng sự đã sử dụng cảm biến QCMđể phát hiện vi rút viêm gan B [2]. Kết quả cho thấyviệc sử dụng loại cảm biến này có thể phát hiện đượcnhiều loại chủng vi rút với thời gian nhanh và độ chínhxác cao. Trong một nghiên cứu khác, Zhou và các cộngsự đã sử dụng linh kiện QCM được phủ một lớp màngpolymer để phát hiện hoạt chất microcystin-LR cótrong nước uống ở nồng độ cỡ 0.04 nM [3]. Cảm biếnQCM ứng dụng trong lĩnh vực đo khí được nhiều nhàkhoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gầnđây. Nhóm tác giả Bin Ding và các cộng sự đã sử dụngphương pháp phun tĩnh điện vật liệu nanofiber lên cảmbiến QCM để phát hiện đo khí NH3 [4]. Kết quả chothấy độ dịch tần của cảm biến cỡ 50 Hz ở nồng độ 50sccm NH3 với độ ẩm 55%. Nghiên cứu khác của giáosư Wang đã ứng dụng cảm biến QCM phủ vật liệu tổhợp dây nano ZnO và để đo nồng độ khí NH3 bằngtruyền không dây trong xây dựng. Kết quả nghiên cứucó thể ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi trường.Cảm biến hoạt động ổn định và có thể phát hiện đượcnồng độ khí NH3 trong phạm vi bán kính khoảng 100m trong các tòa nhà và đo liên tục qua hệ thống truyềnkhông dây [5]. Mohamad M. Ayad cùng các cộng sựđã sử dụng màng mỏng polyaniline phủ lên điện cựccủa linh kiện vi cân thạch anh để làm thiết bị nhận biếtnồng độ hơi cồn ở mức 2 phần triệu (sccm) [6]. Tác giảMohammed Hadi Shinen và cộng sự nghiên cứu phủpolyaniline với các chiều dày khác nhau lên cảm biến*Địa chỉ liên hệ: Tel: (84-24)38680787Email: ntoan@itims.edu.vn; quy@itims.edu.vn76Tạp chí Khoa học và Công nghệ 132 (2019) 076-080QCM để đo các loại khí như ether, carbon tetrachloridevà ethyl acetate. Kết quả chỉ ra rằng đối với mỗi loạichiều dày khác nhau thì cho đáp ứng với mỗi loại khíkhác nhau [7]. Trong công bố trước, nhóm nghiên cứucũng đã trình bày về quá trình nghiên cứu vật liệuQCM phủ vật liệu thanh nano ZnO để đo khí NH3. Kếtquả chỉ ra rằng đối với vật liệu thanh nano ZnO phủlên QCM thì có độ đáp ứng cũng như độ chọn lọc tốtđối với khí NH3 [8]. M. Varga sử dụng nanocrystallinediamond phủ lên QCM để đo khí NH3, CO và độ ẩmmôi trường theo nhiệt độ phòng. Kết cho thấy đối vớicảm biến QCM có phủ vật liệu nanocrystallinediamond cho độ đáp ứng cao gấp nhiều lần cũng nhưthời gian đáp ứng nhanh hơn (5 s) [9]. Ngoài ra, cảmbiến QCM phủ vật liệu nano còn được ứng dụng rộngrãi trong nhiều lĩnh vực khác, và hàng năm có hàngtrăm các công bố về lĩnh vực công nghệ này với chấtlượng khoa học cao.tâm trong 30 phút với tốc độ 4000 rpm để loại bỏ cáctạp chất và vật liệu CNTs chưa được biến tính và phântán. Sau khi phân tán xong, ta tiến hành phun phủ cácmẫu lên điện cực của QCM sử dụng súng phun nhưtrên hình 1.Ethanol, còn được gọi là rượu cồn, rượu nguyênchất, ngũ cốc rượu là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy,không màu. Việc sử dụng rượu kéo dài có thể gây tổnhại nghiêm trọng đến não bộ và các cơ quan khác.Ngoài ra, người lái xe sau khi uống rượu sẽ gây nguyhiểm đến tính mạng cho mình và người khác. Do đó,việc phát triển cảm biến để phát hiện hơi ethanol có độnhạy cao, tính lặp lại tốt là rất cần thiết [10]. Trong bàibáo này chúng tôi lựa chọn vật liệu ống nano các-bon(CNTs) phun phủ lên vi cân tinh thể thạch anh (QCM)để đo hơi ethanol trong dải nồng độ từ 50 – 250 sccmtại nhiệt độ phòng. Đây mới chỉ là những kết quả banđầu nhằm tìm ra các điều kiện tốt nhất cho việc ứngdụng cảm biến QCM phủ CNTs để đo các loại khí ...