Ảnh minh họa

Amoniac (NH3) là khí tự nhiên có trong khí quyển với nồng độ tương đối thấp, dưới ngưỡng phần tỉ (ppb – part per billion). Trong những năm gần đây, tỉ lệ NH3 phát thải ra môi trường do các hoạt động của con người ngày càng tăng. NH3 không màu, dễ cháy, gây kích ứng mắt, mũi, đây là một trong những loại khí độc hại cần phải kiểm soát. Theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 19: 2009/BTNMT về khí thải công nghiệp, thì lượng NH3 tối đa có trong khí thải công nghiệp ở khu vực thành thị loại 2 là 40 mg/m3 khí ở điều kiện tiêu chuẩn (25oC, 760 mmHg) tương đương 60 ppm (part per million). Theo tiêu chuẩn về điều kiện làm việc của Mỹ cho thấy ở điều kiện làm việc bình thường (8 h/ngày, 40 h/tuần), nồng độ khí NH3 cho phép tối đa là 25 ppm.

Trước tình hình đó, việc chế tạo các cảm biến nhạy khí NH3 đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của đông đảo các nhà khoa học. Trong các loại vật liệu cảm biến khí, ô xít kim loại bán dẫn, đặc biệt là ô xít kim loại chuyển tiếp như CuO, ZnO, SnO2,… là vật liệu được sử dụng nhiều nhất do có độ nhạy cao và dễ chế tạo. Nhược điểm của các ô xít kim loại là có nhiệt độ hoạt động tương đối cao, tiêu thụ nhiều năng lượng. Điều này làm cho cảm biến khí dựa trên các vật liệu ô xít kim loại bán dẫn (SMO) có giá thành cao, khu vực hoạt động bị giới hạn và hiệu suất suy giảm theo thời gian.

Gần đây, những hợp chất mới được cấu thành từ các bon được khám phá như ống nano cácbon (CNT), graphene được khám phá, chúng đã cho thấy tiềm năng trong các ứng dụng cảm biến khí do diện tích bề mặt lớn để cung cấp số lượng lớn các vị trí hoạt động cho sự hấp phụ và phản ứng với phân tử khí thử. Bên cạnh đó, diện tích bề mặt trên khối lượng lớn sẽ giúp cho các vật liệu tổ hợp khác phân bố đồng đều để tăng cường các tính chất cảm biến. Ngoài ra, với tính chất điện tốt, các cảm biến dựa trên vật liệu CNT, graphene ô xít (GO) cho thấy có thể hoạt động được ở nhiệt độ phòng (RT). Việc tổ hợp giữa ô xít kim loại bán dẫn và CNT hay GO nhằm tạo ra cảm biến khí có độ nhạy cao hoạt động ở nhiệt độ phòng đã được các nhóm tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây.

Cảm biến khí NH3 dựa trên vật liệu nhạy khí có dạng màng mỏng trên điện cực răng lược được tổ hợp hai thành phần gồm: CNT/ZnO, GO/ZnO và ba thành phần CNT/GO/ZnO. Trong đó, mỗi thành phần vật liệu được tổng hợp riêng biệt thông qua các phương pháp: lắng đọng hóa học pha hơi (đối với CNT), phương pháp hóa học Hummers (đối với GO) và phương pháp sol-gel (đối với hạt nano ZnO). Kích thước và cấu trúc của màng vật liệu tổ hợp cũng như các vật liệu riêng rẽ được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và phổ Raman. Đặc tính nhạy khí NH3 của vật liệu được nghiên cứu thông qua một hệ đo điện trở của màng nhờ sự hấp phụ/ nhả hấp phụ của vật liệu với khí đo trong buồng kín.

Nhằm nâng cao độ đáp ứng của cảm biến với khí NH3 tại nhiệt độ phòng, chúng tôi đã tiến hành chế tạo vật liệu tổ hợp CNT/ZnO và vật liệu GO/ZnO. Tính chất nhạy khí của cảm biến với khí NH3 dựa trên vật liệu tổ hợp được cải thiện. Cảm biến dựa trên vật liệu CNT/ZnO có thời gian phục hồi tốt hơn, trong khi đó cảm biến dựa trên GO/ZnO có độ đáp ứng khí thử tốt hơn. Để kết hợp được các ưu điểm của từng loại vật liệu, chúng tôi tiếp tục tiến hành chế tạo và khảo sát cảm biến dựa trên ba thành phần CNT, GO, ZnO với tỉ lệ khối lượng 1:1:2. Độ đáp ứng của cảm biến này với 60 ppm NH3 ở nhiệt độ phòng lên tới 17,3% cao hơn 11 lần cảm biến dựa trên 100% CNT, thời gian đáp ứng và thời gian phục hồi giảm xuống đáng kể, tương ứng là 40 s và 70 s.