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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 hì ...