Chế tạo và đặc trưng nhạy khí H₂S của vật liệu V₂O₅ cấu trúc nano

Download

JST: Engineering and Technology for Sustainable Development

Vol. 1, Issue 2, April 2021, 115-118

Chế tạo và đặc trưng nhạy khí H₂S của vật liệu V₂O₅cấu trúc nano

Synthesis and H₂S Gas Sensing Characteritics of Nanostructured V₂O₅

Đỗ Quang Đạt¹, Nguyễn Thị Lan Phương¹, Võ Thị Lan Phương¹, Phạm Thị Ngà¹,

Lại Văn Duy², Lâm Văn Năng^1*, Nguyễn Văn Duy², Nguyễn Đức Hòa^2*

¹Khoa Tự nhiên, Trường Đại học Hoa Lư, Ninh Nhất, Ninh Bình, Việt Nam

²Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam

^*Email: ndhoa@itims.edu.vn , lvnang@hluv.edu.vn

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, vật liệu nano V₂O₅đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy nhiệt và

ứng dụng thử nghiệm cho chế tạo cảm biến phát hiện khí độc H₂S. Kết quả ảnh SEM cho thấy vật liệu có

hình dạng các tấm nano với kích thước không đồng đều vào khoảng 100-500 nm. Giản đồ nhiễu xạ tia X

cho thấy vật liệu thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của pha tinh thể Orthorhombic đơn pha V₂O₅. Kết quả

khảo sát tính chất nhạy khí cho thấy vật liệu có khả năng đáp ứng với khí H₂S ở nồng độ thấp (2.5-20 ppm)

với thời gian đáp ứng và hồi phục tương đối nhanh. Nghiên cứu này chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của vật

liệu V₂O₅trong cảm biến khí H₂S.

Từ khóa: V₂O₅, cảm biến, khí H₂S, thuỷ nhiệt.

Abstract

In this study, V₂O₅nanomaterials were successfully synthesized by a facile hydrothermal method and tested

for application in preparing toxic H₂S gas sensor. SEM image shows that the material has the shape of

nanoplates with different sizes ranging from 100 to 500 nm. The XRD pattern shows that the material has a

single phase of Orthorhombic crystal of V₂O₅. The results of the gas sensitivity survey show that the material

respond well to H₂S at low concentrations (2.5-20 ppm) with relatively fast response and recovery time. This

study demonstrates the potential of application of V₂O₅material in H₂S gas sensors.

Keywords: V₂O₅, gas sensor, H₂S, hydrothermal.

1. Giới thiệu¹

H₂S là một loại khí độc không màu, mùi trứng

đã được nhiều nhóm nghiên cứu cho các ứng dụng

khác nhau như: Làm vật liệu catốt dung lượng cao

cho pin ion-kẽm [8], siêu tụ [9], cảm biến khí [10],

quang xúc tác [11] và pin mặt trời [12]. Các nghiên

cứu về cảm biến khí trên cơ sở vật liệu V₂O₅đã cho

thấy triển vọng ứng dụng của vật liệu này để phát

hiện đa dạng các loại khí như NO₂, NH₃, Xylen

[10,13]. Tuy vậy, nghiên cứu về tính chất nhạy khí

H₂S của vật liệu V₂O₅hiện nay còn hạn chế.

thối, nặng hơn không khí, và là nguồn gây ô nhiễm

không khí ở các hồ ao, sông ngòi của Hà Nội. Các

nguồn chính của khí H₂S là từ sự phân rã của các vật

liệu hữu cơ, khí tự nhiên, khí núi lửa, dầu mỏ, nước

thải và các mỏ lưu huỳnh [1,2]. Tiếp xúc với khí H₂S

có thể gây tác hại đến sức khỏe con người như đau

đầu, hôn mê, co giật và thậm chí tử vong [3,4]. Do

đó, nghiên cứu phát triển các loại cảm biến để phát

hiện sự tồn tại của khí H₂S nhằm giúp con người

phòng, tránh được những tác hại của nó là thực sự

cần thiết, và hiện nay đang thu hút sự quan tâm mạnh

mẽ của các nhà nghiên cứu [5].

Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày các

kết quả nghiên cứu chế tạo và đặc trưng nhạy khí

H₂S của vật liệu nano V₂O₅được tổng hợp bằng

phương pháp thủy nhiệt. Các kết quả nghiên cứu cho

thấy vật liệu nano V₂O phù hợp trong ứng dụng phát

triển cảm biến phát hiện khí H₂S trong khoảng nồng

độ thấp từ 1-10 ppm, đáp ứng yêu cầu trong quan trắc

khí độc H₂S ở các trang trại chăn nuôi v.v.

Vanadi là một kim loại chuyển tiếp, tồn tại rất

phong phú trong vỏ Trái đất. Ở dạng ô-xít nó thể

hiện với đa dạng các trạng thái ô-xy hoá, từ 2⁺đến 5⁺,

bao gồm VO, V₂O₃, VO₂, V₂O₅[6]. Trong số những

dạng ô-xít này, V₂O₅là trạng thái bão hoà ô-xy, có

nhiều tính chất đặc biệt như: năng lượng vùng cấm

nhỏ (khoảng 2,3 eV), là chất khá bền với các tác nhân

hoá học và nhiệt độ [7]. Gần đây vật liệu nano V₂O₅

2. Thực nghiệm

2.1. Chế tạo vật liệu nano V₂O₅

Vật liệu V₂O₅đã được chúng tôi chế tạo bằng

phương pháp thuỷ nhiệt, quy trình cụ thể như sau:

0,585 g (5,0 mmol) NH₄VO₃.5H₂O và 0,315 g

(2,5 mmol) C₂H₂O₄.2H₂O hòa tan hoàn toàn trong

100 ml nước khử ion bằng máy khuấy từ gia nhiệt.

Hỗn hợp thu được được đưa vào bình thủy nhiệt

ISSN: 2734-9381

https://doi.org/10.51316/jst.149.etsd.2021.1.2.19

Received: June 17, 2020; accepted: September 03, 2020

115

JST: Engineering and Technology for Sustainable Development

Vol. 1, Issue 2, April 2021, 115-118

Hình 1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu nano V₂O₅Hình 2. Ảnh SEM của vật liệu nano V₂O₅

chế tạo được

(100 ml) và tiến hành ủ trong thời gian 6h ở nhiệt độ

150^oC. Sản phẩm kết tủa thu được được rửa nhiều lần

bằng nước khử ion và cồn, sau đó tiến hành quay ly

tâm với tốc độ 5000 rpm và đem sấy khô trong tủ sấy

ở 60^oC qua đêm. Tiếp theo, sản phẩm kết tủa được

đem nung trong lò nung ở 500^oC trong 1h để thu

được vật liệu nano V₂O₅. Hình thái bề mặt và tính

chất của vật liệu V₂O₅được nghiên cứu bởi kính hiển

vi điện tử quét (SEM, S-4800, Hitachi), giản đồ nhiễu

xạ tia X (XRD-D8 ADVANCE, Bruker).

Hình 2 là ảnh SEM của vật liệu V₂O₅chế tạo

bằng phương pháp thủy nhiệt thu được sau khi xử lý

nhiệt ở 500^oC/1h. Trên ảnh chúng ta có thể quan sát

thấy các cấu trúc nano với dạng tấm. Chiều dài trung

bình của các tấm vào khoảng 0,5 đến 1 µm. Các tấm

có chiều rộng nhỏ hơn vào khoảng 100 đến 500 nm.

Các tấm nano tách rời và định hướng khác nhau trong

không gian.

2.2. Khảo sát đặc trưng nhạy khí

Đặc trưng nhạy khí của vật liệu được nghiên

cứu thông qua phép đo sự thay đổi điện trở trong môi

trường khí H₂S với các nồng độ khác nhau. Vật liệu

V₂O₅sau khi phân tán trong dung dịch cồn sẽ được

phủ trực tiếp lên điện cực để chế tạo cảm biến bằng

công nghệ màng dày, sau đó tiến hành ủ ở 400 C

trong 1 giờ để ổn định điện trở. Tính nhạy khí H₂S

của cảm biến được nghiên cứu trên hệ Keithley 2700

với phần mềm VEE Pro tại phòng thí nghiệm Nghiên

cứu phát triển và ứng dụng cảm biến nano tại viện

ITIMS (Đại học Bách Khoa Hà Nội). Chi tiết về quy

trình chế tạo cảm biến, và khảo sát đặc trưng nhạy khí

tương tự như đã công bố trong tài liệu [14].

3. Kết quả và thảo luận

Hình 1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu

V₂O₅thu được sau khi thủy nhiệt và xử lý tại

500^oC/1h. Giản đồ nhiễu xạ thể hiện các đỉnh nhiễu xạ

đặc trưng ở các góc 2θ lần lượt là 20,8^o; 22,2°; 26,7°;

31,5°; 41,7° và 49,3° tương ứng với các mặt phẳng

(001), (110), (101), (400), (020) và (021) đặc trưng

của mạng tinh thể V₂O₅có cấu trúc Orthorhombic

(JCPDS standard card No. 89-0612). Các đỉnh nhiễu

xạ đều có cường độ lớn và các đỉnh nhọn chứng tỏ

mẫu tổng hợp được có độ kết tinh cao của pha tinh thể

Orthorhombic. Ngoài ra, không quan sát thấy các đỉnh

nhiễu xạ tạp chất chứng tỏ mẫu chế tạo là đơn pha.

Đỉnh nhiễu xạ (001) có cường độ mạnh nhất, chứng tỏ

đây là hướng tinh thể ưu tiên của vật liệu chế tạo

được.

Hình 3. Tính chất nhạy khí H₂S của cảm biến ở các

nhiệt độ khác nhau của cảm biến

Hình 3 là đồ thị thể hiện sự thay đổi điện trở của

cảm biến tại các nhiệt độ và nồng độ khí H₂S khác

nhau theo thời gian. Đặc trưng nhạy khí H₂S của vật

liệu đã được chúng tôi khảo sát tại các nhiệt độ làm

việc là: 250, 300, 350, 400 và 450^oC, với các nồng độ

khí đo là 2,5, 5, 10 và 20 ppm. Kết quả cho thấy, tại

116

JST: Engineering and Technology for Sustainable Development

Vol. 1, Issue 2, April 2021, 115-118

tất cả các nhiệt độ và nồng độ khí đã khảo sát, cảm

biến làm việc ổn định và đều hồi phục về điện trở nền

sau mỗi chu kỳ đóng - mở khí. Điện trở của cảm biến

giảm khi tiếp xúc với khí H₂S, điều này phù hợp với

lý thuyết, vì H₂S là một khí khử, khi tiếp xúc với vật

liệu, chúng phản ứng với các ion ô-xy hấp phụ trên bề

mặt vật liệu (O^-, O₂, O^2-) và giải phóng các điện tử và

khí SO₂. Chính vì thế mà điện trở cảm biến giảm. Kết

quả này hoàn toàn phù hợp với các công bố về vật

liệu V₂O₅cho cảm biến khí [15].

Hình 4 là kết quả tính toán độ đáp ứng khí H₂S

của vật liệu khi khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau. Có

thể thấy rằng cảm biến đáp ứng tốt ở tất cả các nồng

độ khí và nhiệt độ khảo sát. Khi nhiệt độ tăng thì độ

đáp của cảm biến tăng. Độ đáp ứng đạt cao nhất khi

cảm biến được đo ở nhiệt độ 350^oC (khoảng 2,8 lần tại

20 ppm khí đo), độ đáp ứng thấp nhất đạt khoảng

1,3 lần tại 250^oC và 2,5 ppm khí đo. Tuy nhiên, độ

đáp ứng của cảm biến giảm khi tiếp tục tăng nhiệt độ

lên trên 350^oC. Chứng tỏ nhiệt độ làm việc tối ưu của

cảm biến để có độ đáp ứng cao nhất là 350^oC. Độ đáp

ứng của cảm biến nhìn chung tăng khá tuyến tính theo

các nồng độ khí H₂S ở các nhiệt độ khác nhau. Kết

quả khảo sát chứng tỏ vật liệu V₂O₅rất phù hợp trong

chế tạo cảm biến khí H₂S làm việc trong khoảng nồng

độ từ 2.5 đến 20 ppm. Khoảng làm việc của cảm biến

phù hợp với ứng dụng trong quan trắc ô nhiễm môi

trường.

Hình 5. Thời gian đáp ứng (a) và thời gian hồi phục

(b) của cảm biến tại các nhiệt độ của cảm biến.

4. Kết luận

Chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu nano

V₂O₅bằng phương pháp thủy nhiệt đơn giản nhằm

ứng dụng trong cảm biến khí. Vật liệu tạo ra có dạng

tấm kích thước vào khoảng 100-500 nm. Chúng tôi

cũng đã chế tạo thành công cảm biến khí và khảo sát

tính chất nhạy khí H₂S trên cơ sở vật liệu nano V₂O₅.

Kết quả cho thấy vật liệu có khả năng đáp ứng với khí

H₂S trong dải nhiệt độ từ 250 đến 450^oC ở dải nồng độ

khí từ 2,5 đến 20 ppm với thời gian đáp ứng tương đối

ngắn. Nghiên cứu này cho thấy vật liệu V₂O₅có tiềm

năng lớn trong việc ứng dụng cho cảm biến khí.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được thực hiện với sự tài trợ

của Bộ GD&ĐT với mã số B2020-BKA-24-CTVL,

và một phần của đề tài nghiên cứu khoa học của

trường Đại học Hoa Lư (Lâm Văn Năng).

Hình 4. Đáp ứng khí H₂S của cảm biến ở các nhiệt độ

khác nhau

Hình 5 là thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục

của cảm biến được tính toán dựa trên dữ liệu điện trở -

thời gian. Có thể thấy rằng ở tất cả các nhiệt độ và

nồng độ khí đo thời gian đáp ứng và hồi phục khá

ngắn (đáp ứng dưới 80 giây và hồi phục dưới

400 giây). Tại nhiệt độ 400^oC thời gian đáp ứng là

dưới 10 giây và thời gian hồi phục là khoảng dưới

150 giây tại tất cả các nhiệt độ, nồng độ khí đo. Các

kết quả về thời gian đáp ứng và hồi phục của vật liệu

V₂O₅cho ứng dụng cảm biến khí H₂S của chúng tôi là

ngắn hơn nhiều so với vật liệu CuO/ZnO và vật liệu

Pd/CuO trong một số công bố trước đây cho cảm biến

phát hiện khí H₂S [16].

Tài liệu tham khảo

[1]. Y. Zeng, et al, Rapid and selective H₂S detection of

hierarchical ZnSnO₃nanocages, Sens. Actuators B

Chem. 159(2011), 245–250.

[2]. R. Bari, S. Patil, A . R. Bari , Detection of H₂S gas at

lower operating temperature using sprayed

nanostructured In₂O₃thin films, Mater. Sci. 36(2013),

967–972.

[3]. Chou. C, Hydrogen Sulfide: Human Health Aspects:

Concise

International

Chemical

Assessment

Document 53(2003); World Health Organization:

Geneva, Switzerland.

117

JST: Engineering and Technology for Sustainable Development

Vol. 1, Issue 2, April 2021, 115-118

[4]. A. D. Wiheeb, et al, Present Technologies for

dyes: A detailed understanding of the mechanism and

their antibacterial activity, Materials Science in

Semiconductor processing. 85(2018), 122–133.

Hydrogen Sulfide Removal from Gaseous Mixtures.

Rev. Chem. Eng. 29(2013), 449–470.

[5]. A. Boontum, et al, H₂S sensing characteristics of Ni-

doped CaCu₃Ti₄O₁₂films synthesized by a sol-gel

method, Sensors and Actuators B: Chemical.

260(2018), 877–887.

[12]. A. Kuddus, et al, Role of facile synthesized V₂O₅as

hole transport layer for CdS/CdTe heterojunction

solar cell: Validation of simulation using

experimental data, Superlattices and Microstructures.

132(2019), 106168.

[6]. T. K. Le, M. Kang, S. Kim, A review on the optical

characterization of V₂O₅micro-nanostructures,

Ceramics International. 45(2019), 15781–15798.

[13]. Y. Vijayakumar, et al, V₂O₅nanofibers: Potential

contestant for high performance xylene sensor,

Journal of Alloys and Compounds. 731(2018), 805–

812.

[7]. K. Schneider, M. Lubecka, A. Czap la , V₂O₅thin

films for gas sensor applications, Sensors and

Actuators B: Chemical. 236(2016), 970–977.

[14]. Đ. Q. Đạt, et al, Synthesis and NH₃gas sensing

characteristics of rGO/WO₃nanocomposite, Journal

of Science and Technology. 124 (2018) 068–071.

[8]. P. Hu, et al, Porous V₂O₅microspheres: A high-capacity

cathode material for aqueous zinc–ion batteries”,

Chemical Communications, 55(2019), 8486-8489.

[15]. Y. Vijayakumar, et al, Nanostructured flower like

V₂O₅thin films and its room temperature sensing

characteristics, Ceramics International. 41(2015),

2221–2227.

[9]. M. Ghosh, et al, A rationally designed self-standing

V₂O₅electrode for high voltage non-aqueous all-solid-

state symmetric (2.0 V) and asymmetric (2.8 V)

supercapacitors, Nanoscale. 10(2018), 8741-8751.

[16]. Z. Wu, et al, Ultrafast Response/Recovery and High

Selectivity of the H₂S Gas Sensor Based on α-

[10]. A. A. Mane, et al, Effect of substrate temperature on

physicochemical and gas sensing properties of

sprayed orthorhombic V₂O₅thin films, Measurement.

131(2019), 223-234.

Fe₂O₃Nano

–

Ellipsoids

from

One-Step

Hydrothermal Synthesis, ACS Appl Mater Interfaces.

11(2019), 12761-12769.

[11]. S. K. Jayaraj, et al, Enhanced photocatalytic activity

of V₂O₅nanorods for the photodegradation of organic

118

4 trang yennguyen 18/04/2022 1160

Download

Bạn đang xem tài liệu "Chế tạo và đặc trưng nhạy khí H₂S của vật liệu V₂O₅ cấu trúc nano", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

che_tao_va_dac_trung_nhay_khi_hs_cua_vat_lieu_vo_cau_truc_na.pdf