Tổng hợp bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt và khảo sát đặc tính nhạy khí của thanh nano Fe₂O₃
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 2, April 2021, 084-088
Tổng hợp bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt và khảo sát
đặc tính nhạy khí của thanh nano Fe2O3
Synthesis by Thermal Oxidation and Gas Sensing Properties of Fe2O3 Nanorods
Nguyễn Thanh Nghị, Vũ Xuân Hiền*, Đặng Đức Vượng, Nguyễn Đức Chiến
Viện Vật lý Kꢀ thuật, Trưꢁng Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội, Việt Nam
*Email: Hien.vuxuan@hust.edu.vn
Tóm tắt
o
o
Bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt tấm sắt ở nhiệt độ 300 C-500 C trong không khí, thanh nano ôxít sắt
được chế tạo thành công. Hình thái và cấu trúc của vật liệu nano Fe2O3 được nghiên cứu bằng phương
pháp hiển vi điện tử quét và nhiễu xạ tia X. Đặc tính nhạy khí của thanh nano Fe2O3 được khảo sát trên hệ
đo khí tĩnh ở nhiệt độ làm việc trong dải nhiệt độ vùng từ 300 oC đến 500 oC với các khí C2H5OH,
CH3COCH3, LPG và NH3. Kết quả thu được vật liệu thanh nano Fe2O3 cho độ nhạy cao và đáp ứng tốt với
khí CH3COCH3. Độ nhạy thu được lớn nhất 19 lần với khí CH3COCH3 ở nồng độ 1000 ppm và nhiệt độ
400 oC.
Từ khóa: Fe2O3, thanh nano, ôxi hóa nhiệt, cảm biến khí
Abstract
Iron oxide nanorods were synthesized by thermal oxidation of iron foil in the air at 300-500 oC. The scanning
electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to investigate the crystal structures and
morphologies properties of the Fe2O3 nanorods. The gas sensing properties of the Fe2O3 nanorods were
o
o
investigated using a static-gas measuring system in a range of 300 C-500 C with the target gases of
C2H5OH, CH3COCH3, LPG, and NH3. The results show that Fe2O3 nanorods possess high sensitivity and
selectivity toward CH3COCH3. The highest response of 19 was recorded with 1000 ppm CH3COCH3 at the
operating temperature of 400 oC.
Keywords: Fe2O3, nanorods, thermal oxidations, gas sensors
1. Giới thiệu*
Ôxít sắt đã và đang được sử dụng rộng rãi trong
các lĩnh vực như xúc tác, pin năng lượng, pin mặt
trời, lớp phủ kháng khuẩn và cảm biến khí [11-16].
Trong lĩnh vực ứng dụng làm cảm biến khí, các
nghiên cứu về chế tạo số lượng lớn vật liệu nano ôxít
kim loại với độ đồng đều cao và hình thái như mong
muốn vẫn đang là chủ đề được các nhà khoa học trên
thế giới đặc biệt quan tâm.
Đầu những năm 1950, nhóm K. G. Compton đã
quan sát thấy hiện tượng mọc sợi trên bề mặt kim loại
bằng quá trình ôxi hóa nhiệt, nung nóng tấm kim loại
ở nhiệt độ cao trong không khí [1,2]. Hiện tượng này
đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà
khoa học bởi ưu điểm quy trình đơn giản, giá thành rẻ
đồng thời giúp chế tạo các vật liệu nano ôxít kim loại
với số lượng lớn và độ đồng đều cao [3,4]. Bằng
phương pháp ôxi hóa nhiệt ở nhiệt độ cao trong
không khí, một số vật liệu đã chế tạo thành công như
dây nano CuO [3,5], dây nano Fe2O3 [6], tấm nano
Co3O4 [7] và thanh nano WO3 [8].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đưa ra quy
trình tổng hợp thanh nano Fe2O3 trực tiếp từ kim loại
sắt đồng thời khảo sát đặc trưng nhạy khí của vật liệu
này sau chế tạo.
2. Thực nghiệm
Vật liệu ôxít sắt có thể được chế tạo bằng nhiều
phương pháp như là: phương pháp lắng đọng pha hơi
vật lý, phương pháp hóa ướt, phương pháp sol-gel,
phương pháp đồng kết tủa, phương pháp vi nhũ
tương, phương pháp nhiệt thủy phân [9,10] vv… Tuy
nhiên, chúng tôi lựa chọn phương pháp ôxi hóa nhiệt
để chế tạo vật liệu dây nano sắt ôxít vì phương pháp
này đơn giản và có thể thực hiện trên quy mô lớn với
độ đồng đều cao.
Tấm sắt có độ tinh khiết 99,9 % được mài nhẵn,
xử lí bằng CH3COCH3 và ethanol để loại bỏ lớp
màng chống gỉ và các tạp chất trên bề mặt. Sau đó,
o
tấm sắt được đưa vào lò ủ nhiệt ở nhiệt độ 300 C và
thời gian ôxi hóa được đặt là 96 h. Sau khi chế tạo
được lớp màng ôxít trên bề mặt, mẫu được phân tích
bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD; XPERT-
PRO) và hiển vi điện tử quét (SEM; JEOL JSM-
7610F).
Để nghiên cứu đặc trưng nhạy khí của mẫu sau
khi chế tạo, chúng tôi rung siêu âm mẫu trong dung
dịch C2H5OH, để tách và phân tán phần ôxít sắt trên
bề mặt tấm sắt. Sau đó, dung dịch này được nhỏ phủ
ISSN: 2734-9381
Received: March 23, 2020; accepted: July 02, 2020
84
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 2, April 2021, 084-088
lên trên bề mặt điện cực răng lược Pt (kích thước khe
Các thanh nano ôxít sắt có chiều dài 1 µm đến 3 µm,
bề rộng trung bình khoảng 50-70 nm, định hướng
mọc theo phương thẳng đứng vuông góc với bề mặt
mẫu. Khi tăng nhiệt độ nung lên 400 C-500 C (hình
3b-c), các tấm nano với kích thước trung bình 500 nm
đã xuất hiện với mật độ dày đặc. Quá trình chuyển đổi
hình thái từ thanh sang tấm nano Fe2O3 khi nung tấm
sắt ở nhiệt độ trên 300 oC đã được lý giải trước đó [6].
răng lược là 20 µm trên đế SiO2/Si) hình 1. Các điện
o
cực sau khi phủ vật liệu được ủ ở 400 C trong 2 h
o
o
trước khi khảo sát với các khí C2H5OH, CH3COCH3,
LPG và NH3.
T = 500 oC
Fe
Fe2O3
Fe3O4
T = 400 oC
T = 300 oC
(c)
(b)
(a)
Hình 1. Ảnh cảm biến sau khi chế tạo sử dụng điện
cực răng lược Pt.
20
30
40
50
60
70
2 (o)
Các đặc tính nhạy khí của mẫu được khảo sát
bằng hệ đo khí tĩnh. Ở đây tín hiệu là điện trở của lớp
vật liệu nhạy khí.
Hình 2. Phổ XRD của thanh nano ôxít sắt Fe2O3 chế
tạo bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt ở 300 C (a),
o
400 oC (b) và 500 oC (c).
S = Rair / Rgas
trong đó:
(1)
Vật liệu thanh nano ôxít -Fe2O3 được nhiều
nhóm các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và ứng
dụng làm cảm biến nhạy khí [17]. Nó là chất bán dẫn
loại n có năng lượng vùng cấm Eg = 2,1 eV và là chất
ôxit sắt ổn định nhất trong điều kiện môi trường xung
quanh [17]. Trong thí nghiệm của chúng tôi, mẫu sắt
nung ở 300 oC cho kết quả chế tạo vật liệu nano thanh
Fe2O3 đơn pha. Do đó, mẫu này được chọn để khảo
sát đặc tính nhạy khí. Hình 4 là kết quả đo nhạy khí
phụ thuộc nhiệt độ với các khí C2H5OH, CH3COCH3,
- Rair là điện trở của màng cảm biến trong không khí.
- Rgas là điện trở của màng cảm biến khi xuất hiện khí
thử.
Cùng với độ nhạy, khả năng chọn lọc và các yếu
tố khác như nhiệt độ làm việc, thời gian đáp ứng và
hồi phục cũng là các thông số được khảo sát trong bài
báo này.
o
LPG và NH3 ở nhiệt độ làm việc trong vùng 300 C
đến 500 oC với nồng độ các khí đều là 1000 ppm.
3. Kết quả và thảo luận
Kết quả khảo sát tính chất nhạy khí của mẫu cho
Hình 2 là kết quả XRD của tấm sắt được nung ở
300 C. Trên phổ XRD của mẫu, đỉnh nhiễu xạ ở
o
thấy, vật liệu đáp ứng tốt nhất với khí CH3COCH3 ở
o
44,9o ứng với mặt (011) là đỉnh đặc trưng của Fe [Mã
JCPDF số 96-900-6604]. Các đỉnh nhiễu xạ còn lại
của mẫu ở 30,2o, 33,9o, 35,5o, 43,4o, 53,8o, 57,6o,
62,7o và 65,1o đều phù hợp với các mặt (220), (310),
(311), (400), (422), (511), (440), (530) của ôxít sắt
-Fe2O3 [Mã JCPDF số 00-004-0755]. Khi nâng
nhiệt độ nung lên 400 oC và 500 oC, phổ XRD của các
mẫu này xuất hiện thêm các đỉnh nhiễu xạ nhỏ ở
37,1o, 43,0o và 62,7o tương ứng với các mặt (222),
(400) và (440) của pha Fe3O4 [Mã JCPDF số 00-001-
1111]. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của nhóm
L. Liao tổng hợp các cấu trúc nano Fe2O3 [6]. Trong
nhiệt độ 400 C, độ đáp ứng ở nồng độ khí là 1000
ppm là khoảng 19 lần. Trong khi đó độ đáp ứng ở
cùng nồng với C2H5OH độ tốt nhất khoảng 7 lần, với
LPG và NH3 thì hầu như không nhạy. Kết quả này
cho thấy mẫu thể hiện tính chọn lọc với khí
CH3COCH3.
Hình dạng thanh tạo lớp xốp trên bề mặt ôxít rất
-
lớn làm tăng khả năng phản ứng giữa khí thử với (O2 ,
O-, O2-) nên độ nhạy của cảm biến tăng. Trên bề mặt
ôxít bán dẫn kim loại, ôxi ngoài môi trường có thể
được hấp phụ vật lý và hóa học theo các phương trình
sau [18]:
o
đó, khi ôxi hóa nhiệt ở 300 C mẫu là ôxít sắt -
O2 (gas) O2 (ads)
(2)
o
o
Fe2O3, trên 300 C đến 400 C mẫu có thêm pha ôxít
sắt Fe3O4.
O2 (ads)+e− O2− (ads)(T 100 oC)
(3)
O2− (ads)+e− 2O− (ads)(100 oC T 300 oC) (4)
Kết quả khảo sát hình thái bề mặt cho thấy bề
mặt mẫu được nung ở 300 oC (hình 3a) có dạng thanh
nano phủ kín bề mặt tấm sắt với độ đồng đều cao.
o
O− (ads)+e− O2− (ads)(T 300 C)
(5)
85
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 2, April 2021, 084-088
300 oC
350 oC
400 oc
450 oC
500 oC
20
(a)
15
10
5
0
0
120
240
360
Thêi gian (s)
20
18
16
14
12
10
8
Acetone
Ethanol
LPG
(b)
NH3
6
4
2
0
300
350
400
450
500
o
Hình 4. Kết quả đo nhạy khí trong dải nhiệt độ 300-
o
500 C, với 1000 ppm CH3COCH3 (a) và đồ thị so
sánh đáp ứng khí của mẫu với một số khí khác nhau
(b).
20
15
10
5
Hình 3. Ảnh FE-SEM bề mặt tấm sắt sau khi nung ở
300 oC (a), 400 oC (b), 500 oC (c) trong 96 h.
Khi vật liệu tiếp xúc với khí khử như
CH3COCH3 hoặc C2H5OH. Sẽ xảy ra phản ứng giữa
0
-
các khí này với các ion (O2 , O- và O2-) tạo thành CO2
và H2O đồng thời giải phóng các điện tử làm tăng độ
dẫn của thanh nano sắt ôxít. Các quá trình này được
mô tả bởi phương trình 6 và 7 [19]:
0
500
1000
1500
2000
2500
Thêi gian (s)
CH3COCH3 + 4O2− 3CO2 +3H2O+ 4e− (6)
Hình 5. Kết quả độ lặp lại khí phụ thuộc nhiệt độ với
1000 ppm CH3COCH3 ở 400 oC.
C2H5OH +3O2− 2CO2 +3H2O+3e−
(7)
Từ các kết quả trên cho thấy thanh nano ô xít sắt
nhạy nhất với khí CH3COCH3 ở nhiệt độ 400 C do
đó chúng tôi tiến hành khảo sát độ lặp lại của mẫu ở
điều kiện này. Kết quả khảo sát (hình 5) cho thấy mẫu
có độ lặp lại cao, các xung khá giống nhau và đồng
đều.
o
Khi tăng nhiệt độ làm việc làm tăng khả năng
khuếch tán của khí C2H5OH. Điều này khiến cho độ
đáp ứng khí của cảm biến tăng khi nhiệt độ làm việc
lớn hơn 300 oC. Khi nhiệt độ làm việc tiếp tục tăng do
ôxi hấp phụ trước đó bị giải hấp phụ khỏi bề mặt vật
liệu thì độ nhạy sẽ giảm dần.
86
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 2, April 2021, 084-088
Thời gian đáp ứng và hồi phục của mẫu ở
Hình 7 cho thấy sự phụ thuộc giữa độ nhạy của
o
400 C với 1000 ppm CH3COCH3 được thể hiện trên
hình 6. Kết quả cho thấy thời gian đáp ứng là 24 s và
thời gian hồi phục là 38 s.
mẫu theo nồng độ khí aceton của thanh nano Fe2O3 ở
nhiệt độ tối ưu 400 C. Độ nhạy của mẫu đo có xu
hướng tăng tuyến tính với nồng độ khí CH3COCH3.
Kết quả này cho thấy thanh nano Fe2O3 chế tạo bằng
phương pháp oxi hóa nhiệt kim loại sắt là một ứng
viên tốt làm cảm biến acetôn.
o
20
24s
4. Kết luận
38s
15
Bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt, các thanh
nano -Fe2O3 có hình dạng chiều dài 1 µm đến 3 µm
đã được chế tạo thành công. Khi nâng nhiệt độ từ
10
5
o
o
o
300 C lên 400 C-500 C, các tấm nano Fe2O3 đã
xuất hiện thay thế các thanh nano Fe2O3. Tuy nhiên,
o
o
các mẫu được nung ở 400 C-500 C đã xuất hiện
thêm pha Fe3O4. Thanh nano -Fe2O3 thể hiện tính
chọn lọc với khí CH3COCH3 tại nhiệt độ làm việc tối
0
0
50
100
400
450
o
ưu 400 C. Độ nhạy cao nhất mẫu này ghi nhận được
Thêi gian (s)
là 19 lần. Thời gian đáp ứng hồi phục của mẫu lần
lượt là 24 s và 38 s. Thêm vào đó, hoạt động ổn định
của cảm biến và khả năng biến đổi tuyến tính của đáp
ứng theo nồng độ CH3COCH3 cho thấy thanh nano -
Fe2O3 chế tạo bằng oxi hóa nhiệt tấm sắt có khả năng
ứng dụng làm cảm biến acetôn.
Hình 6. kết quả đo nhạy khí phụ thuộc nhiệt độ với
1000 ppm CH3COCH3 ở 400 oC.
Bảng 1. So sánh thời gian đáp ứng hồi phục của thanh
nano Fe2O3 nhạy khí CH3COCH3.
Thời
gian
Nhiệt
độ làm
việc
(oC)
Lời cảm ơn
Tài liệu
tham
khảo
Vật liệu
Đáp ứng
/ hồi
phục
Xin cảm ơn đề tài cấp trường T2017-PC-136 đã
tài trợ kinh phí thực hiện bài báo này.
Tài liệu tham khảo
0.6% CNT & Fe2O3
Ống nano α-Fe2O3
α-Fe2O3/SnO2 HNAs
α-Fe2O3/CuO NRs
220
271,2
340
40 - 44
40 - 13
14 - 70
80 - 80
[20]
[21]
[22]
[23]
[1] S. Bhassyvasantha, N. Fredj, S. D. Mahapatra, W.
Jennings, I. Dutta, B. S. Majumdar, Whisker
Mitigation Mechanisms in Indium-Doped Tin Thin
Films: Role of the Surface, J. Electron. Mater., vol.
47, no. 10, pp. 6229–6240, 2018,
400
Nghiên
cứu này
Thanh nano α-Fe2O3
400
24 - 38
[2] S. M. Arnold, S. E. Koonce, Filamentary growths on
metals at elevated temperatures, J. Appl. Phys., vol.
27, no. 8, p. 964, 1956,
Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của
thanh nano α-Fe2O3 cũng tương đương so với các
mẫu có hình thái khác như trên bảng 1. Với kết quả
trên mẫu có khả năng ứng dụng làm cảm biến nhạy
khí.
[3] X. Jiang, T. Herricks, Y. Xia, CuO Nanowires Can
Be Synthesized by Heating Copper Substrates in Air,
Nano Lett., vol. 2, no. 12, 2002,
1500 ppm
1000 ppm
25
20
15
10
5
[4] Y. Zhu, C. H. Sow, Hotplate technique for
nanomaterials, Sel. Top. Nanosci. Nanotechnol., vol.
4, no. 2, pp. 149–169, 2009,
500 ppm
250 ppm
[5] J. T. Chen et al., CuO nanowires synthesized by
thermal oxidation route, J. Alloys Compd., vol. 454,
no. 1–2, pp. 268–273, 2008,
125 ppm
[6] L. Liao et al., Morphology controllable synthesis of
α-Fe2O3 1D nanostructures: Growth mechanism and
nanodevice based on single nanowire, J. Phys. Chem.
C, vol. 112, no. 29, pp. 10784–10788, 2008,
0
0
500
1000
1500
2000
Thêi gian (s)
Hình 7. Kết quả độ nhạy của mẫu theo nồng độ
CH3COCH3 của thanh nano Fe2O3 ở 400 oC.
[7] T. Yu et al., Controlled growth and field-emission
properties of cobalt oxide nanowalls, Adv. Mater.,
87
JST: Engineering and Technology for Sustainable Development
Vol. 1, Issue 2, April 2021, 084-088
vol. 17, no. 13, pp. 1595–1599, 2005,
[16] A. Pramanik, S. Maiti, S. Mahanty, Metal hydroxides
as a conversion electrode for lithium-ion batteries: A
case study with a Cu(OH)2 nanoflower array, J.
Mater. Chem. A, vol. 2, no. 43, pp. 18515–18522,
[8] F. C. Cheong et al., WO3-x nanorods synthesized on a
thermal hot plate, J. Phys. Chem. C, vol. 111, no. 46,
pp. 17193–17199, 2007,
[17] L. Liao et al., Multifunctional CuO nanowire devices:
P-type field effect transistors and CO gas sensors,
Nanotechnology, vol. 20, no. 8, 2009,
[9] R. Malik, V. K. Tomer, Y. K. Mishra, L. Lin,
Functional gas sensing nanomaterials: A panoramic
view, Appl. Phys. Rev., vol. 7, no. 2, 2020,
[18] D. Kohl, Surface processes in the detection of
reducing gases with SnO2 based devices, Sensors and
Actuators, vol. 18, no. 1, pp. 71–113, 1989,
[10] W. Tan, J. Tan, L. Fan, Z. Yu, J. Qian, X. Huang,
Fe2O3-loaded
NiO
nanosheets
for
fast
http://doi/org/10.1016/0250-6874(89)87026-X.
response/recovery and high response gas sensor,
Sensors Actuators, B Chem., vol. 256, pp. 282–293,
[19] J. Ma et al., Porous platelike hematite mesocrystals:
Synthesis, catalytic and gas-sensing applications, J.
Mater. Chem., vol. 22, no. 23, pp. 11694–11700,
[11] C. Liu, J. Mao, X. Zhang, L. Yu, Selenium-doped
Fe2O3-catalyzed oxidative scission of C[dbnd]C bond,
Catal. Commun., vol. 133, no. October 2019, p.
105828, 2020,
[20] Q. Tan, J. Fang, W. Liu, J. Xiong, W. Zhang, Acetone
sensing properties of a gas sensor composed of
carbon nanotubes doped with iron oxide nanopowder,
Sensors, vol. 15, no. 11, pp. 28502–28512, 2015,
[12] X. Zhang et al., Porous-Fe2O3 nanoparticles
encapsulated within reduced graphene oxide as
superior
anode
for
lithium-ion
battery,
[21] Y. Tao, Q. Gao, J. Di, X. Wu, Gas sensors based on -
Fe2O3 nanorods, nanotubes and nanocubes, J.
Nanosci. Nanotechnol., vol. 13, no. 8, pp. 5654–5660,
Nanotechnology, vol. 31, no. 14, 2020,
[13] H. Baniamerian, P. Tsapekos, M. Alvarado-Morales,
S. Shokrollahzadeh, M. Safavi, I. Angelidaki, Anti-
algal activity of Fe2O3–TiO2 photocatalyst on
Chlorella vulgaris species under visible light
irradiation, Chemosphere, vol. 242, 2020,
[22] H. Gong, C. Zhao, G. Niu, W. Zhang, F. Wang,
Construction of 1D/2D α -Fe2O3 /SnO2 Hybrid
Nanoarrays for Sub-ppm Acetone Detection
Research, vol. 2020, pp. 1–11, 2020,
,
[14] D. Jlidi et al., Ethanol sensing enhancement of low-
coast sprayed α-Fe2O3 films, Mater. Res. Express,
vol. 6, no. 12, 2019,
[23] S. Park, H. Kheel, G. J. Sun, T. Ko, W. I. Lee, C. Lee,
Acetone gas sensing properties of multiple-
a
networked Fe2O3-functionalized CuO nanorod sensor,
J. Nanomater., vol. 2015, pp. 1–7, 2015,
[15] X. Wang et al., Oxygen vacancy defects engineering
on Ce-doped α-Fe2O3 gas sensor for reducing gases,
Sensors Actuators, B Chem., vol. 302, no. August
2019, p. 127165, 2020,
88
5 trang
18/04/2022
1140
Bạn đang xem tài liệu "Tổng hợp bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt và khảo sát đặc tính nhạy khí của thanh nano Fe₂O₃", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tong_hop_bang_phuong_phap_oxi_hoa_nhiet_va_khao_sat_dac_tinh.pdf
