ساخت حسگر گاز مقاومتی بر پایه کره های توخالی اکسید روی و بررسی تأثیر افزودن نانولوله های کربنی بر خواص حسگری آن

چکیده: در پایان نامه ی حاضر، حسگرهای گازی مقاومتی اکسید فلزی نیم رسانا با پایه ی zno و همچنین حسگرهای هیبریدی متناظر، با جزءِ هیبریدی نانولوله های کربنی چندجداره ساخته شده و پارامترهای حسگری آن ها در پاسخ به ترکیب های هیدروکربنی فرّار (اتانول-متانول-استون-اتر-زایلن-فرمالدهید و تولوئن) مورد بررسی قرار گرفت. برای تولید پودر پایه ی نانوذرات اکسید روی، نانوساختارهای اکسید روی با ریخت کره ی توخالی با روشی شیمیایی مبتنی بر استفاده از قالب های کربنی و با استفاده از محلول اولیه ی استات روی در دی متیل فرمامید ساخته شدند. برای این منظور در ابتدا قالب های کروی کربن (میکروکره های کربنی) با استفاده از روش آبی- حرارتی درون اوتوکلاو و با استفاده از محلول ساکروز در آب تهیه شدند. نتایج حاصل از آزمایش-های انجام شده نشان می داد که: با کاهش غلظت محلول ساکروز اولیه از mollit-1 5/0 تا mollit-1 1/0 اندازه ی کره های کربنی نهایی از حدود nm 2500 تا حدود nm 300 کاهش می یابد. تشکیل میکرو(نانو)کره های کربنی و نانوکره های توخالی اکسید روی، تخمین اندازه و خلوص محصول نهایی، با استفاده از آنالیزهای sem، tem و xrd مورد بررسی قرار گرفت. برای تهیه ی پودر مواد حسگر هیبریدی، پودر نانوکره های توخالی اکسید روی و نانولوله های کربنی عامل دار شده با نسبت های وزنی مختلف (02/0، 05/0، 1/0، 3/0 و 5/0 درصد وزنی) توسط امواج فراصوت با یکدیگر مخلوط شدند. تصاویر sem، پخش نسبتاً همگن نانولوله ها درون ماتریس کره های توخالی و تماس مناسب بین این دو جزء را نشان می داد. نتایج حاصل از اندازه گیری های bet نشان می دادند که افزودن تنها wt%05/0 نانولوله کربنی به ماتریس حاصل از کره های توخالی اکسید روی مساحت سطح تماس موثر پودر هیبریدی را تا حدود 3/1 برابر افزایش می دهد. به کمک پودر مواد حسگر به دست آمده، 6 دسته حسگر لایه ضخیم با روش چاپ صفحه ای برروی زیرلایه های شیشه ای تهیه شدند؛ یکی، متناظر با پودر اکسید روی خالص (s-blank) و پنج تای دیگر متناظر با پودرهای هیبریدی با درصدهای وزنی نانولوله ی متفاوت: s-0/02, s-0/05, s-0/1, s-0/3, s-0/5. در مرحله ی اندازه گیری حسگر؛ نمودارهای پاسخ برحسب دما برای حسگرهای مختلف خالص و هیبریدی نشان می دادند که نه تنها تمام حسگرهای هیبریدی نسبت به حسگر خالص پاسخ بزرگ تری به ترکیب های هیدروکربنی فرّار مورد هدف از خود نشان می دهند، بلکه بیشینه ی افزایش پاسخ نسبت به یک هیدروکربن خاص به ازای یک درصد وزنی معین از نانولوله کربنی صورت می گیرد. برای اتانول و متانول 0/05wt% نانولوله ی کربنی به عنوان درصد وزنی بهینه تعیین شد؛ درحالی که برای استون و اتر حسگر s-0/1 بیشینه ی پاسخ را نشان می داد. همچنین مشخص شد که افزودن مقادیر بسیار جزیی نانولوله ی کربنی منجر به کاهش قابل ملاحظه در دمای بهینه ی عملکرد حسگر می شود. در مورد متانول افزودن 02/0 درصد نانولوله، دمای بهینه را به اندازه ی c°20 کاهش داد؛ درحالی که در مورد اتانول افزودن 05/0 درصد وزنی نانولوله، دمای بهینه را به اندازه ی c°50 کاهش می داد. بررسی نمودارهای پاسخ- غلظت برای حسگرهای خالص و هیبریدی نشان می داد که غلظت اشباع حسگر متأثر از مقدارنانولوله ی افزوده می باشد؛ به طوری که برای اتانول و متانول، حسگر s-0/05 و برای استون و اتر حسگر s-0/1 بیشینه ی گستره ی همبستگی خطی و غلظت اشباع را نشان می دادند. رسم نمودارهای ستونی پاسخ برای حسگرهای s-0/05 و s-0/1 در پاسخ به هیدروکربن های مختلف، وجود یک انتخاب گری قابل ملاحظه ، وابسته به مقدار نانولوله و دما را برای چهار هیدروکربن: اتانول، متانول، استن و اتر را نشان می داد. همچنین اندازه گیری ها نشان می داد که حسگرهای هیبریدی زمان های مشخصه ی پاسخ و بازیافت کم تری نسبت به حسگر خالص از خود نشان می دهند؛ به عنوان مثال، زمان های پاسخ و بازیافت برای حسگر هیبریدی s-0/05، در c°300 و در پاسخ به ppm 320 اتانول، به ترتیب برابر با 44 و s 72 به دست آمدند که در مقایسه با اعداد متناظر محاسبه شده برای حسگر خالص در همان دما، یعنی 82 و s 103 کاهش قابل ملاحظه ای را نشان می داد. اندازه گیری پاسخ حسگرهای خالص s-blank و هیبریدی s-0/05 به ppm 320 اتانول در 11 هفته ی متوالی و ثبت شدت پاسخ ها و و زمان های مشخصه ای با اختلاف کمتر از ?7، نشان دهنده ی تکرار پذیری مناسب نتایج و پایداری هر دو نوع حسگر می باشد.