Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí ứng dụng cho thiết bị quan trắc môi trường không khí

Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu tính chất nhạy khí ở nhiệt độ phòng của vật nanocomposite polyaniline/multi-walled carbon nanotuber (PANi/MWCNTs) ứng dụng cho thiết bị quan trắc môi trường.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu chế tạo cảm biến khí ứng dụng cho thiết bị quan trắc môi trường không khí Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN KHÍ ỨNG DỤNG CHO THIẾT BỊ QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Luyện Quốc Vương1,2,Nguyễn Thị Thủy3, Hoàng Thị Hiến1, Bùi Văn Dân1, Chu Văn Tuấn1* Tóm tắt: Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu tính chất nhạy khí ở nhiệt độ phòng của vật nanocomposite polyaniline/multi-walled carbon nanotuber (PANi/MWCNTs) ứng dụng cho thiết bị quan trắc môi trường. Nghiên cứu có tính hệ thống như phân tích thành phần hóa học, các liên kết hóa học, hình thái cấu trúc bề mặt của vật liệu nanocomposite phù hợp cho việc chế tạo cảm biến khí đã được thực hiện. Các kết quả khảo sát đã cho thấy cảm biến có thể phát hiện nồng độ khí NH3 ở mức 10 phần triệu (ppm) ở nhiệt độ phòng. Kết quả nghiên cứu này đã khẳng định khả năng chế tạo cảm biến khí NH3 có độ nhạy cao trên cơ sở sử dụng vật nanocomposite tổng hợp được bằng phương pháp điện hóa. Từ khóa: Vật liệu nanocomposite; Polyaniline; Ống nano cacbon đa lớp; NH3. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu về vật liệu lai cấu trúc nano cho các ứng dụng quan trắc môi trường là một hướng nghiên cứu công nghệ cao, tiếp cận với các hướng nghiên cứu đang được quan tâm trên thế giới đặc biệt là các hãng công nghiệp lớn như IBM, Phillip, Intel,… Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu polymer dẫn với nhiều tính chất mới về độ bền trong môi trường, độ dẫn điện tốt, dễ tổng hợp, dễ liên kết và tích hợp với các linh kiện điện tử [1, 2]. Các công trình nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, vật liệu nano là vật liệu lý tưởng để chế tạo các loại cảm biến hóa học, xem như là vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn cho ứng dụng trong khoa học công nghệ như vi điện tử, y sinh,... và đã đạt được nhiều thành tựu nhất định [2, 3]. Trong số họ vật liệu polyme dẫn, phải kể đến polyaniline composite cấu trúc nano, đó là sự kết hợp của các chất pha tạp để tạo ra những tính chất ưu việt như độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt riêng lớn, thân thiện với môi trường, độ ổn định cao và đặc biệt khẳ năng ứng dụng trong các thiết bị quang học, cảm biến. Cảm biến miễn dịch điện hóa xác định sớm ung thư cổ tử cung [13], cảm biến sinh học [14],… Tuy nhiên, ứng dụng vật liệu nanocomposite PANi/MWCNTs trong cảm biến khí hoạt động ở nhiệt độ phòng sẽ mở ra những hướng nghiên cứu ứng dụng mới trong quan trắc môi trường [16]. Đo lường môi trường đã và đang là vấn đề cấp thiết trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng. Các sản phẩm về các thiết bị thí nghiệm phục vụ đo lường môi trường ngày càng đa dạng và sẵn có trên thị trường. Tuy nhiên, giá của những sản phẩm này lại quá đắt và phần lớn nhập khẩu của Châu Âu. Ở bất kỳ thời đại nào thì các vấn đề về sức khỏe của con người cũng luôn được quan tâm và đặt lên hàng đầu. Sức khỏe của con người bị ảnh hưởng trực tiếp từ môi trường xung quanh, trong đó, ô nhiễm môi trường không khí, môi trường nước gây ra cho sức khỏe những tổn hại nghiêm trọng. Vì vậy, việc phân tích, đánh giá và phát hiện các khí thải độc hại ở nồng độ rất thấp là một yêu cầu đặt ra cho các nhà khoa học và các nhóm nghiên cứu. Để đáp ứng được các nhu cầu cấp thiết trên, cần phải xây dựng hệ thống thiết bị quan trắc không khí tự động sử dụng cảm biến khí hiệu suất cao (độ nhạy cao, giới hạn phát hiện thấp cỡ ppm, thời gian hồi đáp/hồi phục nhanh, độ chọn lọc tốt) sử dụng vật liệu nanocomposit làm lớp nhạy khí. Với quy trình kiểm tra đơn giản, nhanh, chính xác thành phần khí cần phát hiện, thiết bị nhỏ gọn. Đối với cảm biến, có rất nhiều đại lượng đặc trưng cho tính chất của cảm biến, trong đó dưới đây liệt kê các tính chất quan trọng nhất. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 187 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường + Độ nhạy là sự thay đổi của tín hiệu đo trên đơn vị nồng độ chất được phân tích, điều này có thể hiểu như độ dốc của đồ thị biểu diễn sự biến đổi theo nồng độ. Hệ số này đôi lúc dễ bị nhầm lẫn với giới hạn đo. Sự nhạy khí của cảm biến được đánh giá bởi độ nhạy S, là khả năng phát hiện khí với một nồng độ xác định, được xác định bởi tỷ số: S R air (1) R gas Trong đó: - Rair: Điện trở của cảm biến khi chưa tương tác với khí đo. - Rgas: Điện trở của cảm biến khi tương tác với khí đo. Thông thường các cảm biến khí có lớp nhạy khí là vật liệu oxit kim loại bán dẫn. Do đó, theo nghiên cứu thì logarit độ nhạy tỷ lệ tuyến tính với logarit nồng độ khí đo trong khoảng từ vài chục ppm đến vài nghìn ppm. Tuỳ theo loại vật liệu sử dụng làm cảm biến và cấu tạ ...