بخشی از مقاله
چکیده
امروزه تشخیص میزان و نوع گازهاي خطرآفرین از جمله هیدروژن در مکانهاي صنعتی و آزمایشگاهی از اهمیت ویژهاي برخوردار است و ساخت حسگري که بتواند با حساسیت بالا میزان و نوع گاز را در دماي اتاق تشخیص دهد بسیار حائز اهمیت است. در این مقاله بعد از ساخت گرافن با استفاده از لایهبرداري مداد 8B به روش قوس الکتریکی در آب و ترکیب کردن ماده با میزان متفاوت پالادیم احیا شده به روش احیاي هیدروژنی، آزمایش حسگري آن براي غلظتهاي متفاوت هیدروژن انجام شدهاست و مقادیر کم از گاز هیدروژن - حدود - %1 تشخیص داده شده است. ویژگیهاي فیزیکی با استفاده از پراش پرتوي ایکس - XRD - ، بیناب نمایی فروسرخ - FTIR - و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورد بررسی قرار گرفتند.
مقدمه
ایجاد و بهبود روشهاي تشخیص گازهاي خطرناك و داراي قابلیت انفجار، مانند گاز هیدروژن که گازي بدون رنگ، بو و طعم است، از نظر ایمنی و سلامت براي بشر امري بسیار مهم میباشد 2]و.[1 حسگرهاي گازي کاربردهاي متعددي از قبیل نظارت بر محیط زیست، تولید صنعتی و ایمنی، تشخیص پزشکی و صنایع نظامی دارند .[3] گرافن ساختاري دوبعدي از اتمهاي کربن است که در یک پیکربندي ششضلعی آرایش یافتهاند و اتمها با هیبریداسیون اوربیتالهاي sp2 به یکدیگر متصل گردیدهاند. در سال 2004 توانایی ساخت یک تک لایه گرافیت که همان گرافن است، کسب گردید .[4] گرافن خواص بسیار متفاوتی بخصوص در رسانایی الکتریکی و کشش سطحی در مقایسه با گرافیت دارد. روشهاي مختلفی براي ساخت گرافن وجود دارد که به چهار روش کلی رسوب دهی شیمیایی بخار - CVD - و رشد همبافت1، لایه برداري میکرومکانیکی از گرافیت، رشد همبافت در سطوح نارساناي الکتریکی مانند SiC و ایجاد تعلیق2 کلوئیدي از گرافن ساختهشده از گرافیت و مشتقات آن تقسیم می شود .[5]
گرافن در ساخت حسگر از آن جهت داراي اهمیت است که یک ساختار دوبعدي از نظر ترمودینامیکی ناپایدار بوده و تمایل به بازآرایی در یک ساختار سهبعدي را دارد. همچنین به خاطر داشتن گاف انرژي صفر و ساختار الکترونیکی ویژه آن، که در جذب و واجذب تغییر می کند، به خوبی می تواند با گاز آنالیت برهم کنش کرده و حضور آن را مشخص نماید .[6] هدف این تحقیق ساخت گرافن با استفاده از لایه برداري مداد 8B به روش قوس الکتریکی و بکارگیري آن در ساخت حسگر گاز هیدروژن در دماي اتاق میباشد که روشی ساده است. این حسگر، یک حسگر گازي مقاومتی است که در مجاورت گاز آنالیت - در این مقاله هیدروژن - ، مقدار مقاومت آن تغییر کرده و میتواند به طور کمی این میزان تغییر را آشکارسازي نمود. حسگر ساختهشده از این نظر داراي اهمیت است که در دماي اتاق و با حساسیت بالا حتی تا %1 هیدروژن را تشخیص میدهد وعلاوه بر پایداري مناسب، زمان پاسخ و بازگشت کوتاهی نیز دارد. استفاده از پالادیم از این نظر اهمیت دارد که این ماده جزو کاتالیستهاي هیدروژن است و در افزایش حساسیتپذیري حسگر نقش بسزایی دارد. در معرض گاز هیدروژن، پالادیم تبدیل به پالادیم هیدراید - PdHx - میگردد که تابع کار آن از پالادیم کمتر است و انتقال الکترونها بیشتر صورت میپذیرد .[7]
روش ساخت و آماده سازي نمونه ها
براي تهیه گرافن، فرایند قوس الکتریکی با جریان 4 A و ولتاژ 30V درون 25 ml آب دو بار یونزدایی شده، انجام پذیرفت. در این فرآیند یک الکترود مداد 8B به عنوان کاتد و الکترود طلا به عنوان آند مورد استفاده قرار گرفت. فرآیند تولید گرافن به مدت 30min انجام گرفت. نمونههاي به دست آمده پس از سه بار سانتریفیوژ، هر بار به مدت 5 min و سرعت 6000 rpm توسط آب دو بار یون زدایی شده شستشو گردیده و در دماي اتاق خشک شدند. به منظور تهیه کلوئیدهاي پالادیم احیا شده، پس از آماده- سازي محلول پالادیم کلرید 0/2 g/L با استفاده از پیش ماده PdCl2 - مرك آلمان - ، مقدارهاي متفاوتی از محلول را تحت شار هیدروژن خالص قرار دادیم تا رنگ محلول از زرد به خاکستري تیره تغییر نماید، به گونهاي که نسبتهاي متفاوت 1:200 Pd:C، 1:400، 1:600، 1:800 و 1:1000حاصل گردد. جهت ساخت حسگر گرافنی، پودر حاصل به صورت سایش نرم بر روي زیر- لایهاي از جنس کاغذ که به صورت یک جا داراي پنج الکترود لازم در ابعاد 1 cm2 براي فرایند حسگري بود، کشیده شد. الکترود هاي درهمتنیده3 از جنس پالادیم با استفاده از روش لایهنشانی کندوپاش4 بر روي نمونهها ایجاد گردید. در شکل 1 تصویري از حسگر گرافنی ساخته شده بر روي کاغذ نمایش داده شده است.
جهت انجام مراحل آزمایش حسگري، نمونه کاغذي حاوي حسگرها، در محفظهاي نصب شده و با دستگاه کنترل غلظت گاز - MFC - در معرض نسبتهاي مختلفی از شار گاز هیدروژن و آرگون قرار داده شد. مقاومت پنج نمونه به صورت همزمان توسط رایانه و با استفاده از ریزپردازنده قابل برنامهریزي Arduino Uno®ثبت گردید. در طی انجام آزمایش، زمان در معرضگذاري نمونه براي هر دوره از تزریق گاز هدف و گاز زمینه که هواي خشک است، 5 min بود. آزمایش در پنج غلظت متفاوت گاز هیدروژن از %2 تا %10 صورت پذیرفت. جهت مشخصه یابی، آنالیزهاي FTIR با دستگاه jasco FTIR مدل 680+، XRD توسط دستگاه Asenware AW -XDM300 با گسیل خط طیفی - 1/5405 Å - CuKα از زاویه10- 100̊ و هم چنین آنالیز SEM توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی Philips XL30 صورت پذیرفت.
نتایج و بحث
براي بررسی ویژگی ساختاري نمونههاي گرافن و مقایسه آن با گرافیت حاصل از مداد 8B، الگوي پراش پرتو X از نمونهها تهیه شدهاست. شکل 2 طیف XRD نمونه سنتز شده و مداد 8B را نشان میدهد. از مقایسه طیف الگوي پراش پرتو X با کارت شکل 5الف وب، نمودار پاسخ حسگري در برابر گاز هیدروژن از نمونههاي ساخته شده با نسبتهاي مختلف کربن:پالادیم، مداد و گرافن بدون پالادیم را نشان میدهد. از قسمت ج - میتوان مشاهده نمود که براي همه نمونهها با افزایش غلظت هیدروژن تا ده درصد، میزان پاسخ افزایش یافته است. براي نمونههایی که پالادیم دارند، پاسخ منفی است که نشان میدهد در پاسخ حسگري پالادیم نقش اصلی را در رسانش پالادیم ایفا کرده است .[7] علاوه بر این با توجه به شکل5ب پاسخ حسگري گرافن در مقایسه با مداد کشیده شده بر روي کاغذ حدودا دو برابر است. با توجه به نمودارهاي شکل 5الف میزان پاسخ، براي یک غلظت مشخص با توجه به افزایش نسبت پالادیم افرایش قابل ملاحظه اي ندارد. به منظور کاهش این اثرات، نمونهها قبل از انجام آزمایش حسگري، به مدت 15 دقیقه در معرض هواي خشک قرار گرفتند.
