عنوان پایان‌نامه
ساخت نانوکامپوزیت گرافن-نیمه هادی اکسید روی و بررسی آن در شناسایی ترکیبات آلی فرار
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-کاتالیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1592.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 68447
- تاریخ دفاع
- ۰۱ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- فاطمه حسین طهرانی
- استاد راهنما
- عباسعلی خدادادی, یداله مرتضوی
- چکیده
- بهبود عملکرد حسگرهای گازی جهت شناسایی گازهای خطرناک زیست محیطی و همچنین تشخیص برخی بیماری‌ها مسئله‌ی بسیار مهمی است که در سال‌های اخیر به صورت گسترده‌ای مورد توجه قرار گرفته‌است. حساسیت، گزینش پذیری و پایداری از مهم‌ترین ویژگی‌های یک حسگر گازی اکسید نیمه رسانا می‌باشد.گرافن به عنوان نیمه رسانای نوع p، به دلیل ویژگی های ساختاری، مکانیکی و الکترونیکی شگفت انگیزش اخیراً توجه زیادی به خود جلب کرده است. در این پژوهش ساخت نانوکامپوزیت گرافن- اکسید روی و بررسی عملکرد حسگری آن در شناسایی ترکیبات گازی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. برای سنتز گرافن از روش هامر بهبود یافته و برای سنتز نانو کامپوزیت اکسید روی/ گرافن روش رسوب دهی ZnO روی گرافن به کمک آلتراسونیک استفاده شد. از طریق آنالیزهای FTIR، رامان و TEM تشکیل گرافیت اکساید و آنالیز های XRD، SAED و TEM شکل گیری ساختار کریستالی شش وجهی ZnO تأیید گردید. تصاویر SEM پوشش کاملاً متراکم نانو ذرات ZnO بر روی صفحات گرافن را نشان داد. پاسخ حسگری نانوکامپوزیت های ZnO/0.05%GO، ZnO/0.1%GO و ZnO/0.4%GO به ppm 100 از گازهای اتانول و CO بررسی و بهبود چشمگیر عملکرد حسگری اکسید روی در دمای پایین مشاهده شد. ایجاد اتصال n-p در نانو کامپوزیت و افزایش رسانش اکسید روی در اثر اتصال آن با صفحات گرافن را می‌توان علت افزایش 17 و 100 برابری پاسخ به گاز اتانول به ترتیب در دماهای °C 150 و 100 برای نمونه‌ی ZnO/0.05%GO نسبت به ZnO خالص دانست. در دماهای بالاتر از °C 250 مقاومت ناحیه‌ی اتصال n-p قابل ملاحظه نیست و تنها ضخامت ناحیه‌ی تهی از الکترون نانو‌ذرات ZnO است که پس از ورود گاز تغییر می‌کند. پس پاسخ حسگر در این محدوده‌ی دما، به پاسخ نانو‌ذرات ZnO موجود در نانو کامپوزیت وابسته است. پاسخ نمونه‌ی ZnO/0.05%GO به تولوئن در دمای °C 350 نیز افزایش قابل ملاحظه‌ای داشت که علت را می‌توان افزایش جذب تولوئن بر روی ZnO، در اثر وجود گرافن در نانوکامپوزیت، دانست. بر اثر احیای نمونه‌‌ها پاسخ های حسگری در دماهای بالا نیز افزایش یافتند که علت آن احتمالاً افزایش اتصالات n-p است. همچنین نمونه‌ی ZnO/0.05%GO در دمای °C 150 به اتانول در حضور گازهای مونوکسید کربن، متان و تولوئن کاملاً گزینش پذیر است و طی 6 سیکل پیاپی پاسخ آن پایدار است. از سوی دیگر، پاسخ قابل ملاحظه‌ی آن به ppm 5 استون، استفاده از این حسگر را در تشخیص بیماری دیابت ممکن می‌کند.
- Abstract
- Enhancement of the performance of chemical gas sensors to detect pollutants, dangerous gases and disease diagnoses is an important issue. Sensitivity, selectivity and stability are important parameters reflecting gas sensors performance. Graphene has revealed interesting properties for chemical sensing applications owing to its unprecedented structural and electrical properties. In this work, the synthesis and sensing behavior of graphene-ZnO nanocomposite for detection of different Volatile Organic compounds (VOCs) are investigated. Graphene oxide (GO) was prepared using the modified Hummer's method. ZnO/GO nanocomposites were synthesized by ultrasonic-assisted deposition-precipitation of ZnO onto the GO. FTIR, Raman and TEM analysis indicated the presence of GO sheets. The formation of hexagonal phase and wurtzite structure of ZnO (pure and in nanocomposite) was confirmed with XRD, SAED and TEM characterization. SEM images also showed high density of ZnO nanoparticles on both sides of GO sheets. The response variation of the ZnO containing 0.05%, 0.1% and 0.4%GO nanocomposites sensors to 100 ppm ethanol and CO as a function of temperature indicates a dramatic improvement in sensing performance of ZnO at low temperatures. Interaction between p-type graphene and n-type zinc oxide can be a good reason for 17 and 100 times response enhancement in the case of ZnO/0.05%GO sample to ethanol at the low temperatures of 150 and 100oC, respectively, compared with pure ZnO. At the temperatures above 250°C, the effect of resistance at the heterojunction barrier is negligible and only the thickness of depletion layer on ZnO nanoparticles is changed after introducing the VOC. Therefore, the sensor response in this range of temperature is mainly affected by ZnO nanoparticles in nanocomposite. The response of ZnO/0.05%GO sensor shows significant response enhancement to toluene at 350°C. This can be attributed to increasing toluene adsorption on ZnO, in the presence of graphene in the nanocomposite. After reduction of samples, sensor responses at high temperatures also increases that is probably due to the increase in the n-p junctions. Moreover, the ZnO/0.05%GO sample is remarkably selective to ethanol at 150 °C with respect to carbon monoxide, methane and toluene and reveals stablity during 6 consecutive cycles. Furthermore, its noticeable response to 5 ppm acetone makes it a good candidate to be used in the diagnosis of diabetes.
