بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به بررسی خواص حسگری نانولهکربنی آرایش یافته با نانوذرات نقره در مواجه با گاز متان پرداخته شده است. نانولولههای کربنی ابتدا توسط روش بسیار ساده و کم هزینه احیای یون نقره توسط NaBH4 به میزان مشخص توسط نقره آلاییده شدند. سپس حسگر گاز لایه نازک با استفاده از روش dip coating برروی زیرلایه کوارتزی ایجاد شد. حسگر ساخته شده توانست در دمای اتاق و در حضور 5000 ppm گاز متان حساسیت %0 ,4 داشته باشد که در مقایسه با پاسخ حسگر لایه نازک نانولولهکربنی خالص %400 بهبود داشته است. در پایان نیز نتایج عملی بهدست آمده با نتایج تئوری مقایسه شده است.
کلمات کلیدی: حسگر گاز دمای اتاق، متان، نانولوله کربنی، نانوذره نقره
.1 مقدمه
حسگر گاز متان همواره به دلیل لزوم داشتن محیط امن در معادن، کارخانهها و منازل حایز اهمیت بوده است. حسگرهای گاز متان اکسید فلزی علیرغم حساسیت بالا قادر به آشکارسازی متان در دمای اتاق نیستند.[2 ,1] نانولولههای کربنی به دلیل نسبت سطح به حجم بالا، ساختار توخالی و ابعاد کوچک به یکی از محبوبترین المانها برای ساخت حسگرهای گاز دمای اتاق تبدیل شده اند. حسگرهای بر پایه نانولوله حتی قادرند تا گازهای خنثی مانند متان یا گازهای نجیب را که تمایلی برای انتقال بار ندارند آشکار نمایند لیکن پاسخ این حسگرها در مقابل این گونه گازها ناچیز است-1] .[6 یکی از راههای بهبود پاسخ این حسگرها آرایش دادن آنها توسط نانوذرات فلزی به خصوص فلزات واسطه است.
لیو و همکارانش توانستند گاز متان را در دمای اتاق به وسیله نانولوله کربنی آرایش شده توسط پالادیوم که با استفاده از روش کند و پاش آراسته شده بود، آشکار کنند.[7] پنزا و همکارانش با استفاده از نانولوله آرایش یافته با پلاتین به روش CVDموفق به آشکار سازی مجموعهای از گازها در دمای اتاق شدند.[8] وانگ و همکارانش با استفاده از نانولوله کربنی آرایش یافته با پالادیوم به روش CVD موفق به آشکار سازی گاز هیدروژن شدند.[9] در مرجع [10] حگسر گاز دمای اتاق با استفاده از نانولولههای پر شده با اکسید وانادیوم ساخته شد. نتایج نشان داد که حسگر ساخته شده علاوه بر افزایش سه برابری پاسخ نسبت به حسگر بر پایه نانولوله خالص، کاهش چشمگیری در زمان پاسخدهی دارد.
در مقاله حاضر حسگر لایه نازک نانولوله کربنی و همچنین نانولوله کربنی آرایش یافته با نقره با استفاده از روش ساده و کم هزینه dip coating بر روی زیرلایه کوارتزی ساخته شد و پاسخ آن در مواجه با گاز متان در دمای اتاق مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه و در بخش دوم به فرایند ساخت حسگر پرداخته شده است در بخش سوم برخی آزمایشهای تکمیلی و در بخش چهارم سیستم اندازهگیری پاسخ حسگر بیان شده است. بخش پنجم بیانکننده نتایج به دست آمده میباشد. بخش پایانی نیز به نتیجهگیری اختصاص یافته است.
.2 روش ساخت حسگر
روش تولید حسگر لایه نازک متشکل از نانولولهکربنی خالص شامل دو مرحله میباشد: -1 معلق ساختن نانولولهها در آب دیونیزه توسط دستگاه آلتراسونیک و -2 لایهنشانی بر روی زیرپایه کوارتزی به وسیله روش .dip coating لایه ایجاد شده، پس از تبخیر آب، به مدت 2 ساعت در دمای 200 درجه سانتیگراد حرارت داده شد. سپس به منظور اندازهگیری الکتریکی، اتصالات مناسب با استفاده از چسب نقره بر روی نمونه تعبیه گردید و نمونه به مدت 30 دقیقه در دمای 130oC قرار گرفت. برای ایجاد لایه نازک نانولولهکربنی آرایش یافته با نقره، مراحل کار مشابه است، با این تفاوت که قبل از ایجاد لایه، نانولولهها با روش مناسب به وسیله نقره آرایش داده میشوند.
بدین منظور، طی فرایند کاهش - با استفاده از محلول سدیم بوروهیدارت - یونهای نقره - موجود در محلول نیترات نقره - در حضور نانولولههایکربنی به نانوذرات نقره تبدیل میشوند. سپس به منظور استخراج یونهای اضافی، محلول سانترفیوژ میشود که نتیجه آن نانولولههایکربنی آرایش یافته توسط نانوذرات نقره است. در این آزمایش نانولولهها با درصد وزنی %2 با استفاده از نقره آراسته شدند . پس از آماده شدن لایهها، زیرپایهها بر روی بدنه ساخته شده از جنس میکا محکم میشوند. این بدنهها علاوه بر آسان ساختن جابجایی و اندازهگیری حسگرها، دارای ریزگرمکن جهت کنترل دمای کار حسگر - در صورت لزوم - هستند.
.3 آزمایشهای تکمیلی
به منظور اطمینان از مصرف شدن تمامی کاتیونهای نقره که نتیجه آن تشکیل نانوذرات نقره به میزان مورد نظر است و همچنین عدم خروج نانوذرات نقره در مرحله سانتریفیوژ، سه آزمایش تکمیلی انجام شد. در آزمایش اول آب خارج شده از مرحله اول سانتریفیوژ - محلول - T تحت آزمایش قرار میگیرد. به منظور اطمینان از این که تمام کاتیونهای نقره مصرف شدهاند مقداری کلرید سدیم به محلول T اضافه میشود. اگر کاتیون نقره در این محلول باشد بلافاصله رسوب کلرید نقره تشکیل میشود. عدم تشکیل کلرید نقره این نتیجه را میدهد که تمامی کاتیونهای نقره مصرف شدهاند . به منظور اطمینان از عدم خروج نانو ذرات نقره دو آزمایش مختلف انجام میگردد. آزمایش اول شامل بهدست آوردن طیف UV محلول T است.
این آزمایش بر این اساس انجام میشود که حضور نانوذرات نقره در آب موجب ایجاد بیشینه در طیف UV در حدود 400 نانومتر میشود . با توجه به این که آنالیز UV محلول T، هیچ گونه بیشینه در اطراف محدوده طول موج مورد نظر نتیجه نمیدهد، میتوان ادعا نمود که هیچ نانوذره نقرهای در مرحله سانتریفیوژ خارج نمیگردد و یا حداقل میزان نانوذره نقره خروجی بسیار کم است. آزمایش دوم که به منظور تائید دو آزمایش قبل انجام شد، انجام تست ICP - Inductively Coupled Plasma - بر روی محلول T است. این آزمایش اعلام کننده میزان حضور نقره از هر نوع - کاتیون یا نانوذره - است. نتیجه این آزمایش نیز تائید کننده نتایج قبلی است.
.4 سامانه تست حسگر
محفظه تست حسگر در شکل 1 نشان داده شده است. در بالای محفظه روزنهای به منظور تزریق گاز توسط میکروسرنگ تعبیه شده است. محفظه دارای درب متحرک به منظور قرار دادن ناگهانی حسگر در معرض محیط است. حسگر تعبیه شده بر روی زیرپایه درون محفظه قرار میگیرد. به منظور اتصال سیمهای حسگر به مدار اندازهگیری، روزنههای کاملا عایق بندی شده - به منظور جلوگیری از نشت گاز - تعبیه شده است. به منظور ایجاد تراکم خاصی ازگاز متان حجم مشخصی از گاز توسط میکروسرنگ به داخل محفظه تزریق میگردد. غلظت گاز را میتوان با استفاده از رابطه - 1 - محاسبه نمود که در این رابطه V مقدار حجم است:
.5 نتایج
ابتدا حسگر بر پایه نانولوله کربنی خالص مورد تست قرار گرفت. شکل 2 پاسخ حسگر را در دمای اتاق و در مواجه با 5000ppm گاز متان نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود مقاومت حسگر در مواجه با متان افزایش یافته است که با توجه به نتایج تئوری به دست آمده در مرجع [11] مبنی بر عدم انتقال بار بین متان و نانولوله خالص به نظر میرسد
