Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất dây nano ôxít kim loại đa nguyên tố ABO (ZnWO4, ZnSnO3, Zn2SnO4) bằng phương pháp bốc bay nhiệt 

Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế-xã hội thì môi trường sống của con người cũng đang bị ô nhiễm nặng nề. Có nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm như khí thải của quá trình sản xuất, quá trình cháy của nhiên liệu cũng như khí thải của các phương tiện giao thông (CO, CO2, NO2, H2S,…). Do đó, việc phát triển các loại cảm biến khí nhằm kiểm soát chất lượng không khí là cần thiết đồng thời bảo vệ con người tránh tiếp xúc với nhiều loại khí độc và trên cơ sở đó đề ra các biện pháp cải thiện chất lượng môi trường.

Nhằm nghiên cứu chế tạo thành công dây nano của một số ôxít kim loại đa thành phần ABO như ZnWO4, ZnSnO3, Zn2SnO4 bằng phương pháp bốc bay nhiệt nhằm ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến khí và quang xúc tác, nhóm nghiên cứu do TS. Đỗ Đăng Trung, Trường Đại học Phòng Cháy Chữa Cháy , Bộ Công An đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất dây nano ôxít kim loại đa nguyên tố ABO (ZnWO4, ZnSnO3, Zn2SnO4) bằng phương pháp bốc bay nhiệt”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả như sau:

1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của dây nano ABO

- Đã chế tạo thành công dây nano Zn2SnO4 bằng phường pháp bốc bay nhiệt. Hỗn hợp bột nguồn gồm ZnO:C:Sn. Tỷ lệ thành ZnO:C là 1:1 và thành phần Sn thay đổi trong khoảng từ 2 đến 10% tổng khối lượng. Tính chất về cấu trúc và hình thái của dây nano Zn2SnO4 đã được chúng tôi nghiên cứu bằng phương pháp SEM và XRD. Ảnh hưởng của hàm lượng Sn đền cấu trúc và hình thái của dây nano Zn2SnO4 cũng đã được chúng tôi nghiên cứu. Các kết quả này đã được công bố trên tạp chí ISI. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu chế tạo dây nano đa nguyên loại Indium-Tin-Oxide (ITO) và dây nano SnWO4. Tuy nhiên, việc chế tạo loại dây này khá phức tạp, kết quả nghiên cứu hính thái sản phẩm thu được cho thấy không phải là dây nano ITO cũng như SnWO4. Kết quả thu được chưa đủ tốt để công bố trên các công trình khoa học.

- Việc nghiên cứu chế tạo dây nano đa nguyên (ABO) bằng phương pháp bốc bay nhiệt khá phức tạp. Trong báo cáo định kỳ, nhóm có đề xuất mở rộng nghiên cứu chế tạo dây nano đa nguyên bằng phương pháp hóa học và kết quả là đã nghiên cứu chế tạo thành công dây nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt hóa học khá đơn giản. Các kết quả nghiên cứu này được chúng tôi công bố trên tạp chí Journal of Electronic Materials. Phương pháp nghiên cứu này có thể được phát triển để chế tạo loại dây nano đa nguyên trong thời gian tới bằng cách đưa thêm các tiền chất khác nhau.

 - Đã thành công trong việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt ở áp suất cao và chế tạo thành công thanh, dây nano MnWO4 sử dụng hỗn hợp tiền chất chứa các ion Mn2+ và W2+. Các điều kiện thí được tối ưu để chế tạo thanh nano MnWO4 với độ lặp lại khá tốt. Các kết quả nghiên cứu này cũng đã được chúng tôi công bố trên tạp chí Journal of Alloys & compounds. Theo hướng nghiên cứu này nhóm cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo thanh, dây nano ZnWO4 và SnWO4 bằng phương pháp thủy nhiệt hóa học ở áp suất cao. Các kết quả nghiên cứu được trình bày chi tiết trong phần phụ lục của báo cáo.

-  Đã nghiên cứu cấu trúc dây nano đa nguyên CoAl2O4 sử dụng khuông chitosan. Cấu trúc này có độ xốp khá cao, có tiềm năng ứng dụng trong vật liệu cảm biến khí và quang xúc tác.

2. Ứng dụng vật liệu chế tạo được trong lĩnh vực cảm biến khí và xúc tác

- Đã nghiên cứu chế tạo thành công cảm biến dây nano Zn2SnO4 bằng phương pháp mọc trực tiếp lên điện cực và khảo sát được khả năng nhạy khí NO2 của cảm biến. Ảnh hưởng của hàm lượng Sn đến tính chất nhạy khí của dây nano cũng đã được nghiên cứu. Các kết quả nghiên cứu chính đã được công bố trên tạp chí Journal of Alloys & compounds . Các kết quả cho thấy rằng, cảm biến dây nano Zn2SnO4 nhạy khá tốt với khí NO2. So với cảm biến dây nano ZnO, độ đáp ứng của cảm biến dây nano Zn2SnO4 lớn hơn rất nhiều, độ đáp ứng với 10ppm NO2 ở 200oC lên đến gần 35 lần. Trong khi đó độ đáp ứng với các khí khác như CO, H2, H2S và NH3 chỉ trong khoảng từ 1.1 đến 2.2 lần, có nghĩa cảm biến dây nano Zn2SnO4 có độ chọn lọc khá tốt với khí NO2. 

- Đã nghiên cứu một cách có hệ thống tính chất dây khí của dây nano ZnO và dây nano Zn2SnO4, sử dụng cảm biến chế tạo bằng phương pháp mọc trực tiếp trên điện cực. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khoảng cách từ đế cảm biến đến vật liệu nguồn có ảnh hưởng mạnh đến tính chất nhạy khí của dây nano Zn2SnO4. Trong khi với cùng khoảng cách nghiên cứu, thì cảm biến dây nano ZnO hầu như không ảnh hưởng nhiều đến tính chất nhạy khí của cảm biến. Các kết quả đưa đến một lưu ý quan trọng trong việc chế tạo số lượng lớn (chế tạo trên diện tích lớn) cảm biến dây nano Zn2SnO4 bằng phương pháp bốc bay nhiệt để đạt được hiệu suất chế tạo mong muốn khi ứng dụng trong thực tế. Các kết quả này được trình bày trong phần phụ lục của báo cáo kèm theo.

- Đã nghiên cứu khả năng nhạy khí NH3 của cảm biến thanh nano MnWO4 chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ đơn giản. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến thanh nano nhạy tốt với khí NH3 ở nhiệt độ 400 độ C (nhiệt độ tối ưu). Độ đáp ứng của cảm biến khá tuyến tính với nồng độ khí NH3 trong khoảng nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Chi tiết các kết quả nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Journal of Alloys & compounds.

Như vậy, các kết quả nghiên cứu đề tài thu được có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Kết quả nghiên cứu này có tiềm năng để phát triển các sản phẩm cảm biến khí thế hệ mới với nhiều tính năng ưu việt so với cảm biến truyền thồng. Do đó, nhóm nghiên cứu rất mong nhận được hỗ trợ để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14737/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)