ساخت حسگر گاز هيدروژن مبتني بر نانوذرات ZnMn2O4

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

فيزيك

كارشناسي ارشد

هيدروژن به‌عنوان يكي از سوخت‌هاي پاك آينده به‌دليل ويژگي‌هايي مانند چگالي انرژي بالا، سازگاري با محيط‌زيست و كاربرد در فناوري‌هاي نوين انرژي نظير سلول‌هاي سوختي مورد توجه قرارگرفته است. با اين حال، ويژگي‌هاي انفجاري و محدوده اشتعال‌پذيري گسترده اين گاز، لزوم پايش دقيق و سريع آن را اجتناب‌ناپذير مي‌سازد. از اين رو، توسعه حسگرهاي كارآمد، پايدار و گزينش‌پذير براي شناسايي و اندازه‌گيري هيدروژن در شرايط مختلف عملياتي از اهميت بالايي برخوردار است. منگنايت روي (ZnMn₂O₄)به‌دليل ويژگي‌هاي ساختاري، شيميايي و فيزيكي ويژه‌اش، كاربردهاي گسترده‌اي در صنايع مختلف از جمله پوشش‌هاي ضدخوردگي، ابرخازن‌ها، ترميستورها و الكترودهاي باتري‌هاي ليتيوم-يون دارد. اين ماده همچنين به‌عنوان حسگر گاز مورد بررسي قرار گرفته است. در اين پژوهش، نانوذرات ZnMn₂O₄ به روش هم‌رسوبي در دو دماي پخت 500 و 800 درجه سانتي‌گراد ساخته و با استفاده از آناليزهايXRD، FESEM، UV-Vis،BET و EDX مشخصه‌يابي شدند. هدف اصلي مطالعه، بررسي تأثير دما و مورفولوژي بر خواص حسگري اين ماده بود. نتايج نشان داد كه نمونه توليد شده در دماي 500 درجه سانتي‌گراد عملكرد حسگري بهتري نسبت به نمونه 800 درجه سانتي‌گراد دارد. زمان پاسخ و بازيابي براي نمونه 500 درجه به‌ترتيب 207 و 46/1 ثانيه و براي نمونه 800 درجه به‌ترتيب 201 و 12/26 ثانيه ثبت شد. دماي بهينه حسگري براي هر دو نمونه 300 درجه سانتي‌گراد تعيين گرديد و حداقل حد تشخيص براي نمونه بهينه برابر با 125/0 درصد محاسبه شد. نمونه ساخته شده در دماي 500 درجه سانتي‌گراد تغيير نوع رسانايي از n به p را نشان داد. اين تغيير رفتار به شرح زير بررسي شد: در دماهاي پايين‌تر از 200 درجه سانتي‌گراد، جاهاي خالي اكسيژن به‌عنوان مراكز تله‌گيري حاملان بار عمل مي‌كنند و انرژي كافي براي رهاسازي حامل‌ها از اين مراكز وجود ندارد، كه منجر به كاهش غلظت حفره‌ها و تقويت رفتار نوع n مي‌شود. در دماهاي بالاتر (250-325 درجه سانتي‌گراد)، جذب و واكنش‌هاي سطحي اكسيژن غالب مي‌شوند. جذب اكسيژن روي سطح ZnMn₂O₄ و واكنش آن با ماده باعث توليد حفره‌هاي مثبت شده كه هدايت نوع p را تقويت مي‌كند. افزودن محلول كلريد پالاديوم (1 تا 3 قطره) به نمونه ساخته شده در دماي 800 نيز موجب افزايش پاسخ حسگري شد، اما پايداري نمونه با 2 قطره كاهش يافت. پاسخ نمونه‌ها به گاز هيدروژن (447/14%) در مقايسه با گازهاي نيتروژن دي‌اكسيد، متان و دي‌اكسيد كربن (كمتر از 2%) بالاتر بود، كه نشان‌دهنده گزينش‌پذيري مطلوب اين ماده است. اين يافته‌ها ZnMn₂O₄ را به‌عنوان ماده‌اي كارآمد و پايدار براي حسگري هيدروژن در دماهاي عملياتي متوسط معرفي مي‌كند.

233233

ماده چگال

فيزيك

دانشگاه صنعتي اصفهان