بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله خواص حسگریِ لایه ضخیمِ اکسید قلع افزوده با گرافن نسبت به گاز منواکسیدکربن بهطور تجربی بررسی شده است. طی این بررسی، پاسخ اکسید قلع خالص در مقایسه با نمونههای افزوده با درصدهای وزنی مختلف گرافن - 0/05 ، 0/1 ،0/3 ، - 0/5 در دماهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج تجربی ما نشان میدهد که افزودن گرافن تا غلظت 0/3% باعث افزایش پاسخ حسگر و کاهش زمان های پاسخ و بازیابی آن نسبت به نمونه خالص میشود.به طور مثال افزودن % 0/1 گرافن به اکسید قلع خالص، پاسخ آن را به 400ppm گاز منواکسیدکربن در دمای 350 درجه، از 27% به % 84/5 افزایش داده است. همچنین زمانهای پاسخ و بازیابی را نیز به ترتیب از 33s به 14 s و از 105s به 95 s کاهش داده است. از دیگر نتایج افزودن گرافن به اکسید قلع، در غلظتهای کم، کاهش دمای کاری و بهبود خاصیت انتخابپذیریحسگر است که این نیز به نوبهی خود بر مزایای حضور گرافن در بهبود خواص حسگری اکسید قلع افزوده است.
کلید واژه- اکسید قلع، حسگر منو اکسیدکربن، گرافن.
-1 مقدمه
منو اکسیدکربن - CO - یک گاز قابل اشتعال، سمی، بیرنگ و بیمزه است که موجب خفگی نیز میشود .[1] این گاز به صورت شیمیایی با هموگلوبین خون ترکیب میشود و از انتقال اکسیژن از طریق سیستم گردش خون به بافت و اندامها جلوگیری می کند و منجر به کمبود اکسیژن میشود . [2] از آنجایی که میل ترکیبی هموگلوبین خون با منواکسیدکربن حدود دویست برابر اکسیژن است [2]، مقدار کمی از این گاز میتواند باعث مشکلات جدی از قبیل سرگیجه، حالت تهوع شدید و حتی مرگ فرد شود .[3] با توجه به بیرنگ و بیبو بودن، این گاز اغلب "قاتل خاموش" نامیده میشود .[1] علاوه بر این، در محیطهای کاری نظیر کورههای صنعتی، سوخت ناقص مواد سوختیِ پایه کربنی مانند زغال، بنزین، دیزل، گاز مایع و گاز طبیعی و چوب به دلیل کمبود اکسیژن، مقدار زیادی منواکسیدکربن تولید میکند.
میزان گاز تولید شده در این محیطها به حدی زیاد است که می تواند منجر به انفجار شود. بنابراین تشخیص حضور آن در نیروگاه ها، کارخانههای شیمیایی و حتی خانهها، نیازمند وجود حسگرهای گاز در این محیطها است . بنابراین، تلاش برای ساخت حسگرهای با سرعت عمل بالا و نیز از نظر اقتصادی مقرون به صرفه، یکی از فعالیتهایی است که در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است 4]و.[5 در این میان، حسگرهای بر پایه اکسید فلزی بویژه اکسید قلع به دلیل هزینه کم، پایداری شیمیایی، سایز کوچک، راهاندازی آسان، انتخاب مناسبی برای حسگرهای گاز هستند .[4]اکسید قلع، SnO2، به دلیل حساسیت بالا و پایداری زیاد می-تواند به عنوان ماده فعال در حسگرهای گاز CO استفاده شود.
با این وجود حسگرگاز مبتنی بر اکسید قلع، خاصیت انتخابپذیری بالایی ندارد و دمای کاری آن بالاست .[1] یک راه برای رفع مشکلات مذکور، ترکیب آن با نانوموادی مانند گرافن با توانایی جذب گاز در دمای اتاق میباشد .[6] گرافن به دلیل ساختار دو بعدی، بیشینهی سطح تماس با مولکول گاز و رسانایی الکتریکی بسیار بالا همراه با نوفه الکتریکی کم، بهترین انتخاب برای استفاده در ساخت حسگرهای گاز میتواند باشد . [7] همچنین گرافن یک نیمه هادی با گاف صفر است؛ بنابراین میزان کمی تغییر در تعداد الکترونها میتواند هدایت گرافن را بدون نیاز به انرژی گرمایی، به طور قابل توجهی تغییر دهد .[7]
لذا ترکیب کردن گرافن با اکسید قلع، امکان کاهش دمای کاری و بهبود انتخاب پذیری حسگر را فراهم خواهد کرد .[8]از طرفی دیگر، حسگرهای لایه ضخیم در مقایسه باحسگرهای لایه نازک، حساسیت بسیار بالاتری دارند [9 ]؛ زی را حسگرهای لایه نازک،تخلخلِ نسبتا پایین و در نتیجه ناحیه سطح مؤثر کمی دارند. ولی نمونههای لایه ضخیم به دلیل سطح خشن و متخلخل دارای سطح مؤثر بیشتری برای جذب گاز هستند .[11-9]بنابراین در این مقاله، خواص حسگر گاز منواکسیدکربن بر پایه لایه ضخیم اکسید قلع افزوده با غلظتهای متفاوتی از گرافن به طور تجربی مورد بررسی و تحلیل قرار میگیرد.
-2 روش ساخت حسگر
به منظور بررسی تاثیر گرافن بر خواص حسگری اکسید قلع، یک نمونه حسگر اکسید قلع خالص و چهار نمونهی اکسید قلع افزوده با درصدهای وزنی مختلف گرافن، از قبیل 0/05 wt%، 0/1wt %، 0/3 wt% و 0/5 wt% تهیه میکنیم. برای تهیه نمونه خالص 0/75 گرم پودر اکسید قلع را در آب مقطر ریخته و با دستگاه اولتراسونیک به صورت مخلوط یکنواخت در میآوریم. اما در مورد نمونههای افزوده با گرافن، ابتدا بر اساس درصدهای وزنی ذکر شده مقادیر لازم پودرگرافنِ با ضخامت 1/2-1 nm و خلوص 95 wt% را در آب مقطر تحت امواج اولتراسونیک قرار داده تا به صورت مخلوطهای همگن درآیند.
تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - از صفحات گرافن مورد استفاده، در شکل 1 ارائه شده است.سپس به هر مخلوط 0/75 گرم پودر اکسید را اضافه کرده و مجدد با دستگاه اولتراسونیک به صورت یکنواخت در میآید. مخلوط حاصل را بر روی همزن مغناطیسی داغ قرار داده تا در عین داشتن مخلوطی یکنواخت، آب آن تبخیر و رسوبهای اکسید قلع خالص و افزوده با گرافن در ته ظرفهای آنها تولید شود. این رسوبها را در هاون مخصوص ساییده تا پودرهایی همگن به دست آید. سپس با استفاده از قالب مخصوص، پودر نمونه خالص و نمونههای افزوده با گرافن بوسیله دستگاه پرس اتوماتیک، به قرص هایی با ضخامت 1/77 mm و قطر mm 10/55 تبدیل شده است.
قرصهای بدست آمده در کوره الکتریکی، تحت دمای 500 درجه سانتیگراد در مدت زمان 2 ساعت قرار داده می شود تا فرایند تفجوشی برای آنها انجام شود و بدین ترتیب حسگرها آماده میشوند. تصاویر SEM از نمونه خالص و یکی از نمونههای حاوی گرافن - نمونه - 0/1% پس از تمامی فرایندهای ساخت، در شکل 2 نشان داده شده است.در تصویر نمونه خالص مشاهده میشود که اکسید قلع از ذراتی با اندازه کمتر از 300 nm تشکیل شده و به صورت پلیکریستال است. با توجه به تصویر نمونهی افزوده با گرافن، درمییابیم که حضور صفحات گرافن در لابلای این ذرات مانع از افزایش اندازه ذرات در اثر انباشتگی آنها روی هم شده است.
-3 روش تست حسگر
برای امکان سنجی و بررسی خصوصیات حسگری هر نمونه - خالص و افزوده با گرافن - ، ابتدا گرمکنی با توانایی تولید دمای تا 450œC زیقرصِ حسگر قرار داده، سیمهای فلزی را توسط چسب نقره به نمونه متصل کرده و آن را در دمای 130 درجه سانتیگراد قرار داده تا اتصالات کاملا سخت شوند. سپس حسگر را در دستگاه تست گاز مطابق شکل 3 قرار داده و تغییرات مقاومت حسگر به گاز منواکسیدکربن را در غلظتهای مختلف بررسی می کنیم. مقاومت حسگر در هر مرحله از تست، با ورود گاز به محفظه، تا پایداری کامل اندازهگیری میشود. پارامترهای تعیین کننده خصوصیات هر حسگر عبارتند از: پاسخ حسگر، زمان پاسخ حسگر و زمان بازیابی حسگر. پاسخ حسگر در هرلحظه، به صورت تغییر مقاومت حسگر در اثر حضور گاز ، - Rgas - t، نسبت به مقاومتِ آن در هوا، Rair - t0 - ، تعریف میشود:نیز با افزایش غلظت گرافن، ابتدا کاهش و سپس افزایش یافته است.
کمترین زمان پاسخ و بازیابی نیز مربوط به نمونه 0/1% است.در معادله - - 1، t0 زمانی است که مقاومت حسگر در هوا پایدار شده و گاز وارد محفظه تست میشود. زمان پاسخ حسگر مدت زمانی است که طول میکشد تا پاسخ حسگر از صفر به 90 درصد مقدار بیشینه خود برسد و زمان بازیابی، مدت زمانی است که طول میکشد تا بعد از قطع گاز، پاسخ حسگر از بیشینه خود به 10 درصد مقدار آن برسد. در ادامه با استفاده از معادله - 1 - و تعاریف ارائه شده در این بخش، به بررسی و تحلیل خواص حسگری نمونههای پیشنهاد شده میپردازیم.
-4 عملکرد اکسید قلع افزوده با گرافن به عنوان حسگر گاز منواکسیدکربن
برای تمام نمونههای تولید شده - خالص و افزوده با گرافن - ، پاسخ حسگر برای هر غلظت مشخص گاز و در دماهای مختلف بر حسب پارامترهای مذکور در بخش قبل اندازهگیری شده است. نتایج بدست آمده در ادامه به طور مفصل آورده شده است.
-1-4 اثر غلظت گرافن
در شکل 4 قدرمطلق بیشینه پاسخ - معادله - - 1 - حسگرهای با درصدهای وزنیِ مختلفِ گرافن نسبت به اکسید قلع، در حضور 400ppm گاز منواکسیدکربن و دمای 350 درجه سانتیگراد بههمراه زمانهای پاسخ و بازیابی آن رسم شده است.
در شکل - 4الف - مشاهده میشود که با افزایش غلظت گرافن، پاسخ حسگر در مقایسه با نمونه خالص ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد. این شکل نشان میدهد که درصد بهینه گرافن به منظور افزایش پاسخ، در بین نمونههای ساخته شده، 0/1% است. بنابراین وجود غلظتهای کم گرافن در اکسید قلع، تاثیر مفیدی بر جذب گاز منواکسیدکربن توسط حسگر داشته است. همچنین با توجه به شکل - 4ب - درمییابیم که زمان پاسخ و زمان بازیابی
-2-4 اثر دما
تغییرات پاسخ حسگر - معادله 0/1% - - 1 - بر حسب زمان برای غلظت گاز 400ppm در چهار دمای مختلف به همراه زمانهای پاسخ و بازیابی آن در شکل 5 رسم شده است. مشاهده میشود که با ورود گاز به محفظه در هر دمایی، مقاومت حسگرکاهش یافته است. بیشینه پاسخ حسگر نیز با افزایش دما تا 350 درجه سانتیگراد، افزایش و در دماهای بالاتر کاهش یافته است. همچنین با بالا رفتن دما، مانده شدن گاز روی حسگر کاهش یافته لذا با خروج گاز از محفظه، به طور کامل به مقاومت اولیه باز میگردد. زمان پاسخ حسگر نیز تا دمای 350 درجه سانتیگراد کاهش و سپس افزایش مییابد. این درحالی است که زمان بازیابی همواره با افزایش دما، کاهش مییابد.
