عنوان پایان‌نامه
ساخت و بررسی نانو ساختارهای اکسید فلزی برای سنسور گزینشی ترکیبات آلی فرار
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-انرژی و محیط زیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 996.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 48151
- تاریخ دفاع
- ۱۰ اسفند ۱۳۸۹
- دانشجو
- صادق احمدنیافیض اباد
- استاد راهنما
- عباسعلی خدادادی, یداله مرتضوی
- چکیده
- مطالعات انجام شده در این پژوهش مشتمل بر دو بخش است. در بخش اول، نانوذرات اکسید فلزی در نمونه های wt% Sm2O3/SnO2 10 و 5 ،2 به روش احتراق محلولی سنتز و مشخصات آنها با آنالیزهای XRD، SEM، BET و آزمایش فوتولومینسانس (PL) تعیین و عملکرد آنها بعنوان حسگر ترکیبات آلی فرار مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این آنالیزها نشان داد اضافه کردن Sm2O3 به SnO2 باعث کاهش سطح، افزایش درجه کلوخه شدن، کاهش اندازه کریستالی و افزایش غلظت جاهای خالی اکسیژن می شود. پس از آن، عملکرد نمونه های تهیه شده در حسگری پنج ترکیب آلی فرار (اتانول، استن، استالدئید، تولوئن و تری کلرو اتیلن) با غلظت ppm 300 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایشات نشان داد اضافه کردن Sm2O3 به SnO2 علاوه بر افزایش حساسیت نسبت به این گازها، باعث کاهش دمای عملیاتی حسگرها نیز می شود. وجود چنین رفتاری بر اساس کاهش اندازه کریستالی، افزایش غلظت جاهای خالی اکسیژن، تغییر در مکانیزم واکنش و تغییر در فعالیت کاتالیستی تحلیل و بررسی شد. با بررسی انتخابگری حسگر wt% Sm2O3/SnO25 مشخص شد این حسگر در چند دمای مختلف نسبت به برخی از ترکیبات VOCs انتخابگر است. افزودن Sm2O3 به SnO2 باعث افزایش غلظت اشباع کننده پاسخ شد، اما تاثیر زیادی در زمان پاسخ و بازیابی حسگر نداشت. در بخش دوم این تحقیق، تاثیر نانولوله های کربنی چند دیواره دارای عامل اسیدی (AF-MWNTs) بر خواص حسگری SnO2 بررسی شد. نمونه های SnO2 خالص و نانوکامپوزیتهای AF-MWNTs/SnO2 wt% 05/0 و 1/0 به روش رسوب دهی سونوشیمیایی سنتز و مشخصات آن با آنالیزهای XRD، SEM و BET بررسی شد. نتایج نشان داد MWNTs تاثیری در سطح ویژه و فازهای کریستالی تشکیل دهنده SnO2 ندارد. اما با آنالیز SEM، تشکیل لایه ای از SnO2 روی سطح MWNTs محرز گردید، که باعث بهبود خواص حسگری نمونه های کامپوزیتی می شود. حسگرهای تهیه شده حساسیت بسیار بالا (در حدود چند هزار) نسبت به ppm300 از ترکیبات VOCs نشان دادند. در مورد اتانول، استن و استالدئید، نمونه شامل MWNTs 05/0% و در مورد تولوئن نمونه شامل MWNTs 1/0% بالاترین حساسیت را نشان داد. در مورد TCE، تغییر قابل توجهی در ماکزیمم حساسیت مشاهده نشد، اما حسگر حاوی MWNTs 05/0% حساسیتی در حدود 100 برابر نمونه SnO2 خالص در دمای C°100 نشان داد. در پایان مکانیزم های ممکن برای بهبود خواص حسگری در نمونه های کامپوزیتی بررسی و مورد تحلیل قرار گرفت. به نظر می رسد، تسهیل در انتقال الکترون ها و احتمال تشکیل ساختار نیمه رسانای ناهمگن p-n در فصل مشترک بین SnO2 و CNT در لایه حساس از مهمترین دلایل بهبود حساسیت در حسگرهای نانوکامپوزیتی تهیه شده باشند. کلید واژه ها: حسگر گاز- ترکیبات آلی فرار- انتخابگر- دی اکسید قلع- اکسید ساماریم- نانولوله های کربنی چنددیواره
- Abstract
- The studies in this research can be divided into two main parts. In the first part, 2, 5, 10 wt% Sm2O3/SnO2 nano particles synthesized by chloride solution combustion synthesis (CSCS) method, and characterized by XRD, SEM, BET and photoluminescence (PL) methods. Characterization results showed addition of Sm2O3 to the SnO2 structure causes a lowering in surface area and crystallite size of SnO2. Moreover, degree of agglomeration and concentration of oxygen vacancies increased with increasing of weight percent of Sm2O3 in samples. The sensing properties of synthesized samples were measured for detection of some volatile organic compounds (i.e. ethanol, acetaldehyde, acetone, toluene and trichloroethylene) at the concentration of 300 ppm in air. The results revealed Sm2O3 doped SnO2 samples have much higher sensitivity and lower operating temperature than pure SnO2. This improvement in sensing properties can be attributed to the higher oxygen vacancies and lower crystallite sizes in Sm2O3 doped SnO2 samples. Also, changing in reaction mechanism and modification in surface reaction rate maybe has positive effects on sensing properties improvement. Comparison between concentration dependence and response-recovery properties of pure and 5.0 wt% Sm2O3 doped SnO2 samples showed Sm2O3 has no important effect on average response and recovery times, but increased the corresponding concentration of the saturated response. In the second part of this study, the effects of acid functionalized multiwall carbon nanotubes (AF-MWNTs) were investigated on sensing properties of SnO2. Pure SnO2 and 0.05, 0.10 wt% AF-MWNTs/SnO2 nanocomposites synthesized through ultrasound assisted precipitation method and characterized by XRD, SEM, BET and photoluminescence (PL) methods. Characterization results showed addition of MWNTs to the SnO2 has no important effect on phase structure and BET surface area of synthesized samples, but formation of a SnO2 shield on the surface of MWNTs was clear from SEM image. Prepared samples showed very high sensitivity (about a few thousand) to 300 ppm of target VOCs in air at low temperatures. In the case of ethanol, acetaldehyde and acetone, 0.05 wt% AF-MWNTs/SnO2 samples showed the highest sensitivity, and in the case of toluene 0.1 wt% AF-MWNTs/SnO2 sample had much higher sensitivity than other samples. Although, maximum response to trichloroethylene decreased by addition of MWNTs to SnO2 structure, but the sensitivity of 0.05 wt% AF-MWNTs/SnO2 at T=100 C° was much higher than pure SnO2. At the end, probable mechanisms that can be responsible for sensitivity improvement in nanocomposites were mentioned. It is seems that, formation of a n-p hetrostructure at the interface between tin oxide and carbon nanotubes and facilitation in electron movement in sensitive film are the most important reasons of sensitivity improvement in nanocomposite sensors.
