Cảm biến khí độc
Mặc dù việc phát hiện khí độc có thể được thực hiện thông qua các phương pháp như quang phổ hồng ngoại (IR), nhưng các kĩ thuật này không phù hợp để theo dõi thường xuyên môi trường công nghiệp và dân dụng. Cảm biến khí thể rắn có lợi thế hơn nhờ khả năng theo dõi mức khí liên tục và có giá thành tương đối phải chăng. Hiện nay, các cảm biến phát hiện khí như CO, hydrocarbon hoặc hơi dung môi (alcohol, ketone, ester, v.v.) ở mức phần triệu (ppm) được sử dụng phổ biến trong nhà để xe ngầm, hệ thống thông gió tự động, báo cháy và thiết bị phát hiện rò rỉ khí. Ngay cả một lượng nhỏ khí mục tiêu cũng làm tăng đáng kể độ dẫn điện của SnO₂. Sự thay đổi này đo lường nồng độ khí, kích hoạt tín hiệu hoặc báo động nếu phát hiện ngưỡng đặt trước.
Sự gia tăng độ dẫn điện khi có sự hiện diện của khí khử phụ thuộc vào O₂. SnO₂ trong cảm biến thường ở dạng màng dày, xốp với diện tích bề mặt cao. O₂ hấp phụ lên bề mặt SnO₂ sẽ bắt lấy các electron từ dải dẫn. Ở dưới 420 K, oxygen hấp phụ ở dạng O₂⁻, còn nếu trên nhiệt độ này thì cả O⁻ và O₂⁻ đều có mặt. Sự hiện diện của O₂⁻ và O⁻ thuận từ đã được thực nghiệm chứng minh. Cảm biến SnO₂ hoạt động ở 450–750 K. Khi xuất hiện các khí khử như CO hoặc hydrocarbon, bề mặt SnO₂ mất oxygen, có thể được biểu diễn qua phương trình sau:
CO(g) + O⁻(bề mặt) → CO₂(g) + e⁻
Các electron giải phóng được dẫn qua chất rắn và trở lại dải dẫn, làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Quá trình này được minh họa sơ đồ bên dưới, trong đó O⁻(ads) biểu thị ion O⁻ hấp phụ trên bề mặt SnO₂.
HÌNH 1. Sơ đồ này minh họa cơ chế hoạt động của cảm biến khí SnO₂ khi có sự hiện diện của khí CO.
Bước 1: Ban đầu, oxygen (O₂) trong không khí hấp phụ lên bề mặt SnO₂. Quá trình hấp phụ này kèm theo việc oxygen lấy đi electron (e⁻) từ dải dẫn của SnO₂, tạo thành các ion O⁻ hấp phụ trên bề mặt (O⁻(ads)). Điều này làm giảm số lượng electron tự do trong SnO₂, từ đó giảm độ dẫn điện của vật liệu.
Bước 2: Khi khí CO tiếp xúc với bề mặt SnO₂, nó sẽ phản ứng với các ion O⁻(ads). Phản ứng này tạo ra CO₂ và giải phóng electron trở lại vào SnO₂.
CO(g) + O⁻(bề mặt) → CO₂(g) + e⁻
Bước 3: Electron được giải phóng làm tăng số lượng electron tự do trong dải dẫn của SnO₂, dẫn đến tăng độ dẫn điện của vật liệu. Tóm lại, sự thay đổi về độ dẫn điện của SnO₂ khi có sự hiện diện của CO được sử dụng để đo lường nồng độ CO trong môi trường. Cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi này và kích hoạt tín hiệu hoặc báo động nếu nồng độ CO vượt quá ngưỡng cho phép.
Cảm biến SnO₂ có ý nghĩa thương mại quan trọng và có thể phát hiện CO, CH₄, hơi C₂H₅OH, H₂ và NOₓ. Các vật liệu cảm biến khác bao gồm:
- ZnO, Ga₂O₃ và TiO₂/V₂O₅ để phát hiện CH₄;
- La₂CuO₄, Cr₂O₃/MgO và Bi₂Fe₄O₉ để phát hiện hơi C₂H₅OH;
- ZnO, Ga₂O₃, ZrO₂ và WO₃ để phát hiện H₂;
- ZnO, TiO₂ (pha tạp với Al và In) và WO₃ cho NOx;
- ZnO, Ga₂O₃, Co₃O₄ và TiO₂ (pha tạp với Pt) để phát hiện CO;
- WO₃ để phát hiện O₃ ở mức phần tỷ (ppb).