Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu WO3 cấu trúc nano bằng phương pháp hóa nhằm ứng dụng trong cảm biến khí NO2 và NH3 (TT)

TRÍCH YẾU LUẬN ÁN
a) Tóm tắt mở đầu:
Tên tác giả: Phạm Văn Tòng
Tên luận án: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu WO3 cấu trúc nano bằng phương pháp
hóa nhằm ứng dụng trong cảm biến khí NO2 và NH3”
Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62440123
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
b) Nội dung bản trích yếu:
─ Mục đích và đối tương nghiên cứu của luận án.
 Nghiên cứu tổng hợp thành công các cấu trúc nano của vật liệu WO3 bằng phương
pháp thủy nhiệt và nhiệt dung môi với khả năng điều khiển hình thái học và kích
thước của các cấu trúc nano.
 Chế tạo được các loại cảm biến trên cơ sở màng nhạy khí là vật liệu nano WO3 có các
cấu trúc và hình thái học khác nhau đồng thời khảo sát và so sánh tính chất nhạy khí
của chúng đối với NO2 và NH3 để từ đó đưa ra được hướng lựa chọn vật liệu phù hợp
ứng dụng cho chế tạo cảm biến khí có độ đáp ứng cao, độ nhạy và độ chọn lọc cao.
 Nghiên cứu biến tính thành công hạt nano Pd trên bề mặt vật liệu nano WO3 bằng
phương pháp hóa, đồng thời khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật
liệu nano WO3 biến tính đối với khí NH3, từ đó có thể phát triển cảm biến NH3 độ
nhạy cao.
 Làm sáng cũng như có được những hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế nhạy khí của vật
liệu biến tính và không biến tính trên cơ sở so sánh các thông số đặc trưng giữa cảm
biến nano WO3 không biến tính với cảm biến WO3 được biến tính bề mặt bằng hạt
nano Pd.
─ Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng.
Luận án được thực hiện trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thực nghiệm và hệ thống
các công trình nghiên cứu đã được công bố. Cụ thể, các phương pháp hóa ướt như
thủy nhiệt, nhiệt dung môi và khử trực tiếp được lựa chọn để chế tạo vật liệu. Các
công nghệ màng dày như phun phủ, in lưới và nhỏ phủ được lựa chọn để chế tạo cảm
biến. Hình thái vật liệu, vi cấu trúc của vật liệu được chúng tôi tiến hành phân tích

bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), hiển vi điện tử truyền qua
(TEM), hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM) và giản đồ nhiễu xạ tia X
(XRD). Tính chất nhạy khí của cảm biến được nghiên cứu qua các phép đo điện trở
của màng nhạy khí theo thời gian trong môi trường không khí khô so với môi trường
khí đo trên hệ đo nhạy khí tại Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS),
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các nồng độ khí chuẩn dùng cho nghiên cứu
được tạo ra theo nguyên lý trộn thể tích bằng các bộ điều khiển lưu lượng khí (MFC)
từ các khí chuẩn ban đầu.

─ Các kết quả chính của luận án:
 Bằng phương pháp thủy nhiệt và nhiệt dung môi tác giả đã tổng hợp được nhiều cấu
trúc nano WO3 có hình thái khác nhau. Đặc biệt, bằng phương pháp thủy nhiệt tác giả
đã điều khiển được kích thước và hình thái của bó thanh nano với các thanh nano có
đường kính trung bình khoảng 20 nm. Còn bằng phương pháp nhiệt dung môi tác giả
đã tổng hợp, điều khiển được các dây nano có đường kính rất nhỏ cỡ 10 nm, các dây
nano tự sắp xếp thành bó và dạng bông hoa phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường
nhiệt dung môi.


 Tác giả đã khảo sát tính chất nhạy khí của các bộ cảm biến trên cơ sở vật liệu nano
WO3 có cấu trúc hình thái khác nhau với hai loại khí độc là khí ôxy hóa NO2, khí khử
NH3 và tính chọn lọc của cảm biến cũng được tác giả khảo sát.
 Bằng phương pháp khử trực tiếp, tác giả đã biến tính thành công các hạt nano Pd lên
bề mặt thanh nano WO3 với mật độ khác nhau nhằm cải thiện hiệu suất cho cảm biến
khí NH3. Cơ chế nhạy khí của cảm biến trên cơ sở vật liệu WO3 và Pd-WO3 cũng
được tác giả làm bàn luận và sáng tỏ trong khuôn khổ luận án này.
 Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được chúng tôi công bố trong 04 bào báo
trên các tạp chí quốc tế thuộc hệ thống SCI (02 bài trên tạp chí Sensors and
Actuators B, IF2014=4.1; 01 trên tạp chí RSC Advance IF2014=3.8 và 01 trên tạp chí
Science of Advanced Materials IF2014=2.59). Ngoài ra, còn một số kết quả được

công bố trên các tạp chí trong nước và kỷ yếu hội nghị.

─ Kết luận:
 Đã chế tạo thành công nhiều cấu trúc nano WO3 có hình thái và kích thước khác nhau
bằng phương pháp thủy nhiệt. Năm hệ cảm biến trên cơ sở 5 cấu trúc hình thái khác
nhau của WO3 đã được chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ và được ký hiệu pH15180; pH20-180; pH25-180; pH30-180 và pH20-200. Các cảm biến đã được khảo sát
tính chất nhạy khí với NO2 và NH3. Kết quả khảo sát cho thấy cảm biến pH20-180
trên cơ sở bó thanh nano với các thanh có đường kính khoảng 20 nm sau khi thủy
nhiệt cho độ đáp ứng khí tốt nhất với cả khí NO2 và NH3 tại nhiệt độ làm việc tương
ứng là 200 oC và 400 oC. Cảm biến pH20-180 cho độ ổn định tốt đối với cả khí khí
ôxy hóa NO2 và khí khử NH3. Đã làm sáng tỏ được mối liên hệ giữa hình thái vi cấu
trúc và tính nhạy khí NO2, NH3 của vật liệu.
 Bằng phương pháp nhiệt dung môi chúng tôi đã tổng hợp được các dây nano có
đường kính nhỏ (cỡ 10 nm), khi độ nhớt của dung môi lớn (cyclohexanol) thì các dây
nano sắp xếp thành dạng bó và khi độ nhớt nhỏ (ethanol) thì các dây nano có xu
hướng phát triển tự do và tự vướng vào nhau tạo ra hình thái dạng bông hoa. Hai loại
cảm biến trên cơ sở bó dây nano (Sensor-B) và bông hoa nano WO3 (Sensor-H) đã
được chế tạo bằng phương pháp nhỏ phủ. Đối với khí NO2 thì Sensor-B cho độ đáp
ứng cao hơn Sensor-H, còn với khí NH3 thì Sensor-H lại cho độ đáp ứng cao hơn
Sensor-B tại tất cả các nhiệt độ làm việc và tại tất cả các nồng độ khí đo. Tính chất
nhạy khí khác nhau của hai cảm biến (Sensor-B và Sensor-H) được tác giả giải thích
trên cơ sở ảnh hưởng của kich thước tinh thể và mối liên hệ với vùng nghèo hạt tải cơ
bản.
 Đã nghiên cứu và biến tính thành công hạt nano Pd trên bề mặt thanh nano WO3 bằng
phương pháp khử trực tiếp. Mật độ hạt nano Pd trên bề mặt thanh nano WO3 được
điều khiểm bằng cách thay đổi khối lượng muối PdCl2. Cảm biến khí trên cơ sở thanh
nano Pd-WO3 đã tăng được độ đáp ứng đối với khí NH3 lên hơn 3 lần so với cảm biến
thanh nano WO3. Ngoài việc cải thiện được độ đáp ứng, cảm biến trên cơ sở thanh
nano Pd-WO3 còn giảm được nhiệt độ làm việc ứng với độ đáp ứng cao nhất từ
400 oC xuống 300 oC. Đã làm sáng tỏ được cơ chế cải thiện tính nhạy khí NH3 của

cảm biến WO3 biến tính bằng hạt nano Pd.
Hà nội, ngày 15 tháng 04 năm 2016
TM. Tập thể hướng dẫn

PGS.TS. Nguyễn Đức Hòa

Nghiên cứu sinh

Phạm Văn Tòng