Tóm Tắt: Nghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm

Trong số các vật liệu nhạy khí, oxit kim loại bán dẫn SMO như In2O3 và ZnO nổi bật nhờ khả năng hình thành các cấu trúc nano xốp đa dạng, tính chất điện – hóa lý ưu việt, chi phí tổng hợNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩmNghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2O3, ZnO có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LƯU HOÀNG MINH

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH OXIT KIM LOẠI In2O3, ZnO CÓ CẤU TRÚC XỐP NHẰM PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN KHÍ NO2 VÀ ETHANOL ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Nguyễn Đức Hòa

2 TS Phạm Văn Tòng

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Năng Định

Phản biện 2: GS.TS Lê Anh Tuấn

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi … , ngày … tháng … năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Đại học Bách khoa Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Chất lượng thực phẩm là yếu tố then chốt trong ngành công nghiệp thực phẩm và sức khỏe cộng đồng, đặc biệt trong các giai đoạn bảo quản, vận chuyển và tiêu thụ Quá trình phân hủy sinh học, oxy hóa hoặc lên men của thực phẩm thường tạo ra các khí như NH3, TMA,

H2S, ethanol, C2H4 và NO2 – đóng vai trò là chỉ thị cho sự suy giảm chất lượng Việc phát hiện sớm các khí này giúp ngăn ngừa ngộ độc thực phẩm và giảm thiểu lãng phí Trong bối cảnh nhu cầu về thực phẩm an toàn và hệ thống chuỗi cung ứng thông minh ngày càng phát triển, cảm biến khí có độ nhạy cao, chọn lọc tốt, phản hồi nhanh và chi phí thấp đang được quan tâm đặc biệt

Trong số các vật liệu nhạy khí, oxit kim loại bán dẫn (SMO) như In2O3 và ZnO nổi bật nhờ khả năng hình thành các cấu trúc nano xốp đa dạng, tính chất điện – hóa lý ưu việt, chi phí tổng hợp thấp và khả năng biến tính linh hoạt In2O3 có độ dẫn điện cao, khả năng hấp phụ oxy mạnh, trong khi ZnO có độ rộng vùng cấm phù hợp, độ linh động điện tử cao và hình thái nano đa dạng Nhiều nhóm nghiên cứu trong nước đã đạt được tiến bộ trong chế tạo cảm biến khí trên nền vật liệu SMO, song các nghiên cứu ứng dụng trực tiếp trong giám sát chất lượng thực phẩm vẫn còn hạn chế

Hơn nữa, các phương pháp chế tạo vật liệu phổ biến hiện nay như CVD, ALD, EBE tuy cho chất lượng cao nhưng yêu cầu thiết bị đắt tiền và điều kiện chân không nghiêm ngặt, không phù hợp để mở rộng quy mô hoặc ứng dụng thực tiễn Do đó, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu cảm biến bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản, hiệu quả, dễ kiểm soát và có khả năng biến tính bề mặt là hướng tiếp cận hợp lý

Từ các cơ sở trên, đề tài được xây dựng với mục tiêu phát triển vật liệu cảm biến khí NO₂ và ethanol hiệu suất cao dựa trên cấu trúc nano xốp của In2O3 và ZnO, kết hợp biến tính kim loại quý, phục vụ giám sát chất lượng thực phẩm theo thời gian thực với tên đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo và biến tính oxit kim loại In2 O 3 , ZnO

có cấu trúc xốp nhằm phát triển cảm biến khí NO 2 và ethanol định hướng ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo In2O3 với các hình thái nano xốp khác nhau (khối lập phương, thanh nano) bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt, thông qua điều chỉnh nhiệt độ, pH, chất hoạt động bề mặt và lượng tiền chất Khảo sát đặc tính cảm biến khí NO₂ và ethanol của các vật liệu này

- Chế tạo thanh nano ZnO xốp bằng phương pháp thủy nhiệt không dùng chất hoạt động bề mặt, điều khiển hình thái qua hàm lượng D-glucose và nhiệt độ phản ứng Đánh giá khả năng phát hiện NO2 và ethanol của vật liệu thu được

- Biến tính bề mặt thanh nano ZnO bằng hạt nano Pd qua phương pháp khử trực tiếp Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Pd đến độ nhạy, chọn lọc và nhiệt độ làm việc, hướng tới phát triển cảm biến khí thực phẩm hiệu suất cao, hoạt động ở nhiệt độ thấp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Luận án tập trung nghiên cứu vật liệu In2O3 và ZnO nano xốp chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, biến tính bề mặt bằng Pd nhằm ứng dụng trong cảm biến phát hiện NO2 và ethanol

- Nghiên cứu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, khảo sát đặc trưng vật liệu và hiệu suất cảm biến khí

4 Phương pháp nghiên cứu

- Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, luận án kết hợp tổng quan lý thuyết

và thực nghiệm vật liệu Trên cơ sở phân tích và kế thừa các công trình trong và ngoài nước, đặc biệt là các nghiên cứu về cảm biến khí sử dụng vật liệu oxit kim loại bán dẫn có cấu trúc xốp, tác giả xây dựng

lộ trình và lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hợp

- Vật liệu In2O3 và ZnO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt, thông qua điều chỉnh các điều kiện như nhiệt độ phản ứng, pH, nồng độ tiền chất và chất hoạt động bề mặt Vật liệu ZnO được biến tính bề mặt bằng hạt nano Pd theo phương pháp khử trực tiếp

- Các mẫu vật liệu được khảo sát đặc trưng bằng các kỹ thuật hiện đại như XRD, FE-SEM, HR-TEM, EDX, BET–BJH và TGA–DSC Tính chất cảm biến khí được đánh giá với NO2 và ethanol trên hệ thống đo chuyên dụng, thông qua các thông số như độ đáp ứng, thời gian hồi đáp, độ chọn lọc và ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Luận án mở rộng hiểu biết về vật liệu In2O3 và ZnO có cấu trúc nano xốp và khả năng ứng dụng trong cảm biến khí Thông qua tối ưu hóa phương pháp thủy nhiệt và biến tính bề mặt bằng hạt nano Pd, nghiên cứu đã làm rõ mối liên hệ giữa điều kiện chế tạo, hình thái cấu trúc và hiệu suất cảm biến đối với NO2 và ethanol Kết quả cung cấp cơ sở thiết kế vật liệu có độ nhạy cao, đáp ứng nhanh, hoạt động ổn định ở nhiệt độ thấp và có độ chọn lọc tốt

- Về thực tiễn, luận án xây dựng quy trình chế tạo vật liệu cảm biến đơn giản, dễ triển khai trong điều kiện phòng thí nghiệm, có khả năng

mở rộng quy mô Vật liệu thu được phù hợp cho cảm biến khí trong thực phẩm và có thể ứng dụng trong môi trường, y tế và các hệ thống cảm biến IoT Đây là hướng nghiên cứu có giá trị khoa học và tiềm năng ứng dụng cao

6 Những đóng góp mới của đề tài

- Đã chế tạo thành công In2O3 dạng khối lập phương và thanh nano xốp bằng phương pháp thủy nhiệt, trong đó cấu trúc khối lập phương cho hiệu suất cảm biến NO2 và ethanol cao, độ chọn lọc tốt Đồng thời, tổng hợp được thanh nano ZnO xốp với hình thái tối ưu bằng cách điều chỉnh hàm lượng D-glucose và nhiệt độ phản ứng Mẫu ZnO dạng hạt gạo rỗng đạt độ đáp ứng cao với NO2 và ethanol Đặc biệt, biến tính

bề mặt ZnO bằng hạt nano Pd giúp nâng cao độ nhạy, rút ngắn thời gian đáp ứng và hạ nhiệt độ hoạt động, mở ra tiềm năng ứng dụng trong cảm biến khí thực phẩm hiệu suất cao

- Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được nghiên cứu sinh

và nhóm nghiên cứu công bố trong 03 bài báo quốc tế ISI, 01 bài đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ trong nước, 02 bài báo Hội nghị

7 Cấu trúc của luận án

Nội dung luận án được trình bày trong 5 chương như sau:

Chương 5: Cải thiện tính chất nhạy khí của vật liệu nano oxit kim loại bán dẫn

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cảm biến khí trên cơ sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm

1.1.1 Các loại khí được sử dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm

Trong chuỗi cung ứng thực phẩm, nhiều loại khí được sử dụng hoặc sinh ra từ sản xuất, bảo quản đến tiêu thụ, đóng vai trò chỉ thị chất lượng thực phẩm Các khí như NH₃, H₂S, TMA, C₂H₄, ethanol và NO₂ phản ánh mức độ phân hủy hoặc chín của thịt, cá, trái cây Đặc biệt, ethanol cho biết trạng thái lên men, còn NO₂ gây stress phi sinh học, ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất nông sản Việc giám sát chính xác nồng độ các khí này là cần thiết để bảo đảm an toàn thực phẩm, từ đó thúc đẩy nghiên cứu cảm biến khí nhạy, chọn lọc tốt và chi phí thấp

1.1.2 Tổng quan về cảm biến khí trên cơ sở vật liệu oxit kim loại bán dẫn

Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã tập trung phát triển cảm biến khí dựa trên vật liệu oxit kim loại bán dẫn (SMO) cho giám sát chất lượng thực phẩm Các xu hướng chính bao gồm: thiết kế cấu trúc nano xốp, cầu rỗng, thanh nano; biến tính bằng kim loại quý (Au, Pd); pha tạp với kim loại chuyển tiếp hoặc tạo dị thể nhằm nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc và khả năng hoạt động

ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng cảm biến SMO cho thực phẩm còn hạn chế, chủ yếu ở quy mô phòng thí nghiệm, cần phát triển hướng chế tạo đơn giản, chi phí thấp và dễ thương mại hóa

1.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng tới tính chất nhạy khí của vật liệu oxit kim loại bán dẫn

Tính chất nhạy khí của vật liệu oxit kim loại bán dẫn (SMO) phụ thuộc mạnh mẽ vào các yếu tố như kích thước hạt, cấu trúc xốp, diện tích bề mặt riêng, sự biến tính bề mặt bằng kim loại quý, mật độ khuyết thiếu oxy và điều kiện môi trường Kích thước hạt gần chiều dài Debye giúp tối ưu hóa vùng nghèo điện tích, nâng cao độ đáp ứng

Cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và các tâm hoạt hóa tăng cường quá trình hấp phụ khí Biến tính bằng kim loại quý như Pd, Pt giúp hạ nhiệt

độ hoạt động, tăng độ chọn lọc và độ nhạy Các tiếp xúc dị thể p–n và kiểm soát nhiệt độ vận hành cũng đóng vai trò then chốt, đặc biệt trong phát triển cảm biến khí thực phẩm hiệu suất cao

1.2 Cơ chế nhạy khí của vật liệu oxit kim loại bán dẫn

Cơ chế nhạy khí giúp chúng ta giải thích sự thay đổi tính chất điện của cảm biến khi tiếp xúc với khí phân tích, phổ biến nhất là cơ chế nhạy khí trên cơ sở mô hình hấp phụ/giải hấp phụ

1.3 Tổng quan về vật liệu oxit kim loại bán dẫn In 2 O 3

Các cấu trúc và hình thái của vật liệu oxit kim loại bán dẫn

In2O3 đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa các tính chất cảm biến của vật liệu Một số hình thái khác nhau của vật liệu nhạy khí

Khí đo/ nồng

độ (ppm)

Độ đáp ứng

Thời gian hồi đáp (s)

Tài liệu tham khảo

521/

1.4 Tổng quan về vật liệu oxit kim loại bán dẫn ZnO

Những nghiên cứu gần đây cho thấy, cảm biến khí ZnO đã được phát triển với nhiều dạng cấu trúc, hình thái khác nhau từ 0D, 1D, 2D cho đến 3D Bảng 1.6 tổng hợp một số nghiên cứu về cảm biến khí ZnO dựa trên các hình thái khác nhau

Bảng 1.3 Một số nghiên cứu về cảm biến khí ZnO dựa trên các hình thái khác nhau

Khí đo/

nồng độ (ppm)

Độ đáp ứng

Thời gian hồi đáp (s)

Tài liệu tham khảo

2.1 Tổng hợp vật liệu In 2 O 3 với các hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt

Chúng tôi đã tiến hành tổng hợp vật liệu In2O3 bằng phương pháp thủy nhiệt với nhiều điều kiện phản ứng khác nhau, thông qua việc thay đổi hàm lượng tiền chất, nồng độ chất hoạt động bề mặt cũng như nhiệt độ thủy nhiệt Dựa trên những khảo sát sơ bộ từ ảnh SEM của các mẫu vật liệu tạo thành, chúng tôi đã lựa chọn được ba quy trình tổng hợp vật liệu nano In2O3 có cấu trúc xốp, phù hợp để ứng dụng làm cảm biến khí

ăn mòn và xử lý nhiệt

Hình 2.4 Quy trình 3: Tổng hợp thanh nano In 2 O 3 xốp bằng phương pháp thủy

nhiệt kết hợp với quá trình xử lý nhiệt

2.2 Tổng hợp vật liệu ZnO với các hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt

Vật liệu nano oxit kim loại bán dẫn ZnO có cấu trúc và kích thước hình thái khác nhau đã được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng D-Glucose khác nhau hoặc nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau theo quy trình được mô tả trong sơ đồ gồm các bước như sau:

Hình 2.5 Quy trình tổng hợp vật liệu nano ZnO có hình thái khác nhau bằng phương pháp thủy nhiệt

Bảng 2.1 Các mẫu vật liệu nano ZnO thu được sau quá trình thủy nhiệt

2.3 Quy trình biến tính thanh nano ZnO bằng kim loại quý

Hình 2.7 Quy trình chế tạo thanh nano ZnO xốp biến tính bề mặt với Pd

2.4 Quy trình chế tạo cảm biến

Để đánh giá tính chất nhạy khí phụ thuộc vào kích thước, hình thái cấu trúc nano của các vật liệu In2O3, vật liệu ZnO và vật liệu Pd - ZnO chúng tôi đã lựa chọn phương pháp nhỏ phủ để chế tạo cảm biến

Hình 2.8 Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu và chế tạo cảm biến trên cơ sở vật liệu

nano bằng phương pháp nhỏ phủ

2.5 Các phương pháp phân tích hình thái và vi cấu trúc vật liệu

Các vật liệu nano In2O3, ZnO và Pd-ZnO sau khi tổng hợp thành công đã được khảo sát hình thái, kích thước, cấu trúc nano bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM, Hitachi S-4800) và kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM, JEM 2100) Thành phần nguyên tố của các mẫu vật liệu được xác định thông qua phổ tán

xạ năng lượng tia X (EDX) Đặc điểm cấu trúc tinh thể và thành phần pha của vật liệu được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) sử dụng bức xạ CuKα với bước sóng λ = 0,15406 nm Độ ổn

định nhiệt và nhiệt độ chuyển pha của vật liệu được khảo sát bằng phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt lượng quét vi sai (TGA-DSC) Bên cạnh đó, các đặc tính bề mặt của vật liệu như diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp cũng được phân tích thông qua phương pháp đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ N2 (BET) và đường cong phân bố kích thước lỗ xốp (BJH)

2.6 Phương pháp khảo sát đặc trưng nhạy khí của cảm biến

Trong phương pháp đo động, khí được thổi liên tục qua buồng

đo và điện trở của cảm biến cũng được đo liên tục theo thời gian Hệ

đo khí gồm ba bộ phận chính: (1) Hệ trộn khí, (2) Buồng đo khí, (3) Máy tính và phần mềm đo điện trở theo thời gian

CHƯƠNG 3 HÌNH THÁI, VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU In₂O₃ CÓ CẤU TRÚC XỐP

Chương này trình bày quy trình tổng hợp ba hình thái nano xốp In₂O₃ bằng phương pháp thủy nhiệt, khảo sát đặc tính nhạy khí NO₂ và ethanol của các cảm biến tương ứng, làm rõ mối liên hệ giữa cấu trúc vật liệu và hiệu suất cảm biến, xác định mẫu T140-Ur0.25-P123-In có hiệu năng ưu việt nhất

3.1 Hình thái, vi cấu trúc, thành phần nguyên tố và tính chất vật

lý của vật liệu In₂O₃ có cấu trúc xốp

Luận án nghiên cứu ba hình thái vật liệu In₂O₃ xốp chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp xử lý nhiệt, bao gồm khối lập phương xốp (T180-Ur2-In), khối lập phương xốp có ăn mòn bề mặt (T140-Ur0.25-P123-In) và thanh nano xốp (T180-CT0.25-pH10-In)

T180-Ur2-In có dạng khối lập phương không đồng nhất, kích thước mỗi cạnh 100–500 nm, với lỗ xốp 20–100 nm xuất hiện trên bề mặt T140-Ur0.25-P123-In có kích thước cạnh tương tự (100–500 nm) nhưng nhờ P123, bề mặt bị ăn mòn tạo ra nhiều lỗ rỗng nhỏ hơn (10–

50 nm) T180-CT0.25-pH10-In có cấu trúc thanh nano xốp, đường kính 10 nm, chiều dài 20–40 nm, với lỗ xốp bên trong khoảng 1,9 nm

Các vật liệu này có hình thái và độ xốp khác nhau, giúp tối ưu hóa tính chất nhạy khí, đặc biệt đối với NO₂ và ethanol

Hình 3.1 Ảnh SEM của

T180-Ur2-In

Hình 3.2 Ảnh SEM của T140-Ur0.25-P123-In

Hình 3.4 Ảnh TEM (A, B) và HRTEM (C, D) của mẫu T180-CT0.25-pH10-

Hình 3.5 Phổ tán xạ tia X

(EDX) của 3 mẫu In 2 O 3

Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp

(T180-sát tính nhạy khí đối với NO₂ từ 100 ºC đến 250 ºC Cảm biến Ur0.25-P123-In có độ đáp ứng tốt nhất, đạt 4,5 ở 150 ºC với 1 ppm NO₂ Diện tích bề mặt riêng lớn của T140-Ur0.25-P123-In (40,1 m²/g) giúp tăng cường hấp phụ và phản ứng hóa học Tất cả cảm biến có độ đáp ứng tối ưu ở 150 ºC và có tiếp xúc Ohmic tốt giữa điện cực và vật liệu

T140-Cảm biến T140-Ur0.25-P123-In, được chế tạo từ vật liệu

In2O3 dạng khối lập phương xốp ăn mòn bề mặt, có độ đáp ứng tốt nhất so với các cảm biến khác khi khảo sát với khí NO₂ Đồ thị điện trở của cảm biến (Hình 3.12) cho thấy điện trở tăng khi tiếp xúc với NO₂ và tỷ lệ thuận với nồng độ khí Điều này xảy ra do NO₂ hấp phụ trên bề mặt vật liệu, làm giảm nồng độ điện tử và tăng điện trở của cảm biến Kết quả khảo sát độ đáp ứng theo nhiệt độ cho thấy cảm biến có độ đáp ứng cao nhất ở 150 ºC, với giá trị lần lượt là 1,9; 2,6; 4,5 và 7,9 đối với các nồng độ 0,1 ppm, 0,5 ppm, 1,0 ppm và 2,0 ppm Khi nhiệt độ giảm xuống 100 ºC hoặc tăng lên 200 ºC, độ đáp ứng giảm Đồ thị độ đáp ứng theo nồng độ khí NO₂ cho thấy độ đáp ứng khá tuyến tính, đặc biệt tại 150 ºC, chứng tỏ cảm biến này có thể ứng dụng trong các mạch điện tử tuyến tính

Hình 3.10 So sánh độ đáp ứng theo

nhiệt độ của các cảm biến

Hình 3.11 Đặc tính I-V của các cảm biến tại nhiệt độ 150 ºC

Cảm biến T140-Ur0.25-P123-In có thời gian đáp ứng 244 s và thời gian hồi phục 61 s ở nhiệt độ 150 °C khi đo khí NO₂ 2 ppm Khi nhiệt độ tăng, cả thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục đều giảm, nhờ vào tăng tốc độ phản ứng và hấp phụ khí Cảm biến cho thấy độ

ổn định tốt, với độ lặp lại cao qua 6 chu kỳ mở/đóng khí NO₂ và vẫn duy trì độ đáp ứng tốt sau 5 ngày thử nghiệm liên tục Cảm biến có