Tiến Sĩ Nghiên cứu tổng hợp và tính chất nhạy khí của vật liệu nanocomposite trên nền polyaniline và polypyr

MỞ ĐẦU
Tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao hiệu suất
của thiết bị, linh kiện để phục vụ tốt hơn nhu cầu của con người là xu hướng
phát triển của khoa học và công nghệ. Mục tiêu phát triển đó phụ thuộc vào
khả năng tổng hợp vật liệu chức năng thích hợp và sự gia công chế tạo linh
kiện. Xét về phương diện vật liệu các chất bán dẫn hữu cơ và dẫn xuất của
chúng nổi lên như là ứng viên tiềm năng thay thế vật liệu Silic truyền thống
trong công nghệ điện tử tương lai.
Polyme dẫn (CPs) là những polyme liên hợp gồm các liên kết đơn và các
liên kết đôi (tạo thành liên kết  và liên kết ) xen kẽ nhau phân bố dọc theo
chuỗi thẳng của chúng. Các orbital trong các phân tử CPs được lai hoá theo
kiểu sp 2 . Các liên kết  là những liên kết yếu hơn so với liên kết , do đó
dưới tác động bên ngoài (hoá học, vật lý) thì liên kết  bị thay đổi, dẫn đến
các tính chất điện, hoá học của CPs thay đổi. CPs ngày càng được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghệ điện tử, công nghệ cảm biến,
tích trữ năng lượng, ăn mòn bảo vệ kim loại. Tuy nhiên, CPs thuần có những
hạn chế nhất định như độ dẫn điện thấp, khả năng hoà tan trong dung môi
kém và có tính lọc lựa cao. Tìm cách biến đổi và làm tăng cường tính chất
của CPs bằng cách kết hợp với vật liệu như các ôxít kim loại (TiO 2 ,
V 2 O 5 , ), ống các bon nano để tạo thành vật liệu nanocomposite được hy
vọng là có nhiều khả năng phát triển.
Là một dẫn xuất của CPs, vật liệu nanocomposite trên nền CPs (NCPs)
với thuộc tính và đặc trưng có thể được điều chỉnh để đáp ứng các ứng dụng
mong muốn thông qua việc thay đổi vật liệu phụ gia, kích thước, hình dạng
và mức độ tỷ lệ trong hỗn hợp NCPs.
Vật liệu ống các bon nano (CNTs) cũng có kiểu lai hoá sp 2
phân bố đều
trên toàn bộ cấu trúc của chúng tương tự như CPs. Vật liệu CNTs thể hiện
các tính chất cơ, điện, quang đặc biệt. Các tính chất của CNTs phần nào bổ
sung cho các tính chất của CPs trong vật liệu nanocomposite của chúng. Tổ
hợp CPs và CNTs trong một khối vật liệu có thể được xem là phương pháp
hiệu quả để tăng cường các tính chất đặc biệt của chúng, từ đó có thể tìm
được đặc tính phù hợp để ứng dụng trong các linh kiện điện tử như tụ điện,
pin nạp lại, điốt phát quang polyme, pin quang điện, cảm biến,
Trong số các CPs, polyaniline (PANi) và polypyrrole (PPy) là những
polyme điển hình có tính ổn định cao, thân thiện với môi trường và có các
trạng thái ôxy hoá-khử, tính chất pha tạp-khử pha tạp thuận nghịch. Trong quá
trình tổng hợp PANi, PPy bằng phương pháp hoá học các isome sau khi được
tạo thành liên kết nhau thành chuỗi polyme và có thể liên kết với các phần tử
khác có mặt trong dung dịch phản ứng, do đó có thể hình thành liên kết mạnh 2
trong vật liệu nanocomposite được chế tạo. Đó là lý do để chúng tôi sử dụng
phương pháp hóa học để tổng hợp vật liệu nanocomposite giữa PANi, PPy với
CNTs và với các ôxít kim loại khác. Dựa trên các cơ sở phân tích trên, việc
tiến hành tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng của vật liệu nanocomposite của
PANi và PPy với CNTs (cụ thể là ống các bon nano đơn vách - SWNTs) để
phát triển các ứng dụng là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
TiO 2 là một trong các ôxít kim loại được quan tâm trong thời gian gần
đây vì có nhiều ứng dụng như điện hoá, quang xúc tác, pin nạp lại, sơn, pin
Mặt trời và cảm biến, . Sự kết hợp giữa hai bán dẫn khác loại trong vật liệu
lai hóa như TiO 2 (bán dẫn loại n) và PANi (bán dẫn loại p) cũng có thể làm
nổi trội một số tính chất hóa- lý hứa hẹn nhiều ứng dụng.
Khí NH 3 là khí độc có khả năng kích thích mạnh lên mũi, miệng và hệ
thống hô hấp. Ngược với khí NH 3 là loại khí độc thì khí O 2 rất cần thiết cho
sự sống của con người và được gọi là dưỡng khí. Tuy nhiên nếu khí O 2 có áp
suất riêng phần lớn hơn 50 kPa (tương đương nồng độ lớn hơn 50 % thể tích
không khí tiêu chuẩn) hoặc thấp hơn 5 kPa (tương đương nồng độ nhỏ hơn 5
% thể tích không khí tiêu chuẩn) thì nó có thể làm co giật và gây hại cho sự
hô hấp.
Vật liệu CPs và dẫn xuất của chúng được nghiên cứu và phát triển để phát
hiện hai loại khí NH 3 và O 2 để phục vụ cho cuộc sống con người. Mặc dù
CPs và dẫn xuất của chúng dạng nanocomposite có lợi thế hấp dẫn bao gồm
cả quá trình chế tạo đơn giản, hình thái dễ kiểm soát và chi phí thấp, hạn chế
hoạt động ở nhiệt độ cao, thời gian đáp ứng/phục hồi chậm và độ nhạy thấp
vẫn là thách thức cho khoa học và công nghệ.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và triển vọng phát triển của họ vật liệu CPs
với TiO 2 và SWNTs tác giả đề xuất đề tài nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp
và tính chất nhạy khí của vật liệu nanocomposite trên nền polyaniline và
polypyrrole.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
i. Tổng hợp vật liệu nanocomposite có cấu trúc dạng sợi của PANi
và PPy với TiO 2 và SWNTs bằng phương pháp hóa học.
ii. Khảo sát các đặc trưng và cấu trúc vật liệu nanocomposite đã tổng
hợp bằng SEM, TEM, FT-IR, Raman, UV-Vis, XRD.
iii. Nghiên cứu tính chất nhạy khí của vật liệu nanocomposite đã
tổng hợp với khí NH 3 và O 2 .
Phương pháp nghiên cứu
Bằng thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu dựa trên các mô hình lý
thuyết và kết quả thực nghiệm đã công bố. Các mẫu trong luận án được chế
tạo bằng phương pháp hóa học tại Bộ môn Quang học và Quang điện tử-
Viện Vật lý Kỹ thuật, trường ĐHBK Hà Nội. Cấu trúc, hình thái và thành 3
phần của mẫu được kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), phổ
hồng ngoại khai triển Fourier (FT-IR), phổ Raman, phổ UV-Vis, kính hiển vi
điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Khảo sát tính chất nhạy khí (khí khử NH 3 và khí có tính ôxy hóa O 2 ) bằng
cách đo sự thay đổi điện trở của vật liệu trên đế cảm biến nhờ đồng hồ
Keithley 197A, 2000 và hệ ghép nối máy tính Science Workshop 750
Interface. Nồng độ khí NH 3 được đo chuẩn bằng máy BM GasAlert NH 3 –
USA.
Kết cấu của luận án
Nội dung luận án được trình bày trong 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Phương pháp tổng hợp và nghiên cứu đặc trưng vật liệu
Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của titanium dioxide lên tính chất nhạy
khí của polyaniline
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của ống các bon nano đơn vách lên
tính chất nhạy khí của polyaniline và polypyrrole