ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC THỌ

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC NHẠY KHÍ
CỦA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TỪ VẬT LIỆU NANÔ
PEROVSKITE LaMO3 (M = Mn, Fe, Co, Ni)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

Hà Nội – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐỨC THỌ

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC NHẠY KHÍ
CỦA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA TỪ VẬT LIỆU NANÔ
PEROVSKITE LaMO3 (M = Mn, Fe, Co, Ni)

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
LUẬN ÁN TIẾN SĨ: VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANÔ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Hoàng Nam Nhật
PGS.TS. Phạm Đức Thắng

Hà Nội – 2016


năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS. Hoàng Nam Nhật và PGS.TS. Phạm Đức Thắng. Hầu hết các số liệu,
kết quả nêu trong luận án được trích dẫn lại từ các bài báo tại các hội nghị khoa
học, các bài báo đã được công bố của tôi và các cộng sự. Các số liệu, kết quả
nghiên cứu đạt được là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ luận án
nào khác.
Tác giả


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................... 11
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PEROVSKITE .................................. 8
1.1. Cấu trúc và tính chất oxit perovskite ........................................................................... 9
1.1.1. Cấu trúc tinh thể .............................................................................................. 10
1.1.2. Tính chất dẫn điện........................................................................................... 11
1.1.3. Tính chất hấp phụ khí và hoạt tính xúc tác khí ............................................... 12
1.1.4. Tính chất bề mặt và độ xốp............................................................................. 15
1.1.5. Tính ổn định .................................................................................................... 18
1.2. Tương tác khí với oxit kim loại ................................................................................. 19
1.3. Cảm biến khí điện hóa dựa trên chất điện ly rắn ....................................................... 22
1.3.1. Cảm biến tín hiệu ra dạng thế theo phương trình Nernst ................................ 22
1.3.2. Cảm biến điện hóa dạng thế tổng hợp ............................................................ 24

4.3. Kết luận chương IV ................................................................................................. 100

KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 102
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 105


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
TT

Tên bảng biểu

Trang

1.

Bảng 1.1: Hằng số mạng và kích thước tinh thể của LaFe1-xCoxO3 [53].

16

2.

Bảng 1.2: Một số ví dụ về điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa YSZ sử dụng
oxit đơn kim loại.

30

Bảng 1.3: Một số ví dụ về điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa YSZ sử dụng
oxit đa kim loại.



16

Hình 1.4: Các quá trình tương tác giữa oxit kim loại và khí tại các vùng nhiệt độ
hoạt động khác nhau.

20

Hình 1.6: Các đường đặc trưng nồng độ các khí thải sau quá trình đốt cháy theo tỉ
lệ không khí và nhiên nhiêu đốt (A/F) đầu vào.

25

Hình 1.7: Một số dạng cấu trúc thông thường của cảm biến điện hóa YSZ dạng thế
tổng hợp.

26

Hình 1.8: Cảm biến điện hóa dạng thế tổng hợp (a), phản ứng điện hóa tại điện
cực nhạy khí (b), phản ứng điện hóa tại điện cực so sánh (c), và phản ứng xúc tác
dị thể của khí tại bề mặt oxit kim loại điện cực (d).

27

8.

Hình 1.10: Minh họa kiểu cấu trúc tinh thể lập phương Florit của YSZ.

35


YSZ tổng hợp bằng phương pháp sol-gel.

42

14. Hình 2.5: Ảnh chụp quang học (a), ảnh SEM bề mặt (b) của tấm YSZ sau khi
nung ủ 1300 oC trong 8 giờ; và giản đồ nhiễu xạ tia X của YSZ (c).

44

15. Hình 2.6: Kết quả phân tích tổng trở của linh kiện Pt/YSZ/Pt tại nhiệt độ 400 oC;
hình chèn là khi đo ở 500 oC và 600 oC.

45

16. Hình 2.7: Sơ đồ mạnh điện tương đương của cấu hình linh kiện Pt/YSZ/Pt.

45

17. Hình 2.8: Cấu trúc cảm biến điện hóa Pt/YSZ/LaMO3.

47

18. Hình 2.9: Các bước thực hiện chế tạo cảm biến điện hóa Pt/YSZ/ LaMO3.

48

19. Hình 2.10: Sơ đồ hệ phân tích tính chất nhạy khí của cảm biến.

49



25. Hình 3.6: Các đường về độ đáp ứng ∆V của các cảm biến Pt/YSZ/LaFeO3 tương
ứng với các nhiệt độ nung ủ Ts = 700 oC (a), 800 oC (b), 900 oC (c) phụ thuộc vào
các nồng độ khí NO2 trong dải nhiệt độ hoạt động 450, 500, 550, 600 và 650 oC.

60

26. Hình 3.7: Độ đáp ứng ∆V của các cảm biến Pt/YSZ/LaFeO3 tương ứng với các
nhiệt độ nung ủ Ts = 1050 oC (d), 1200 oC (e), 1300 oC (f) phụ thuộc vào các
nồng độ khí NO2 trong dải nhiệt độ hoạt động 450, 500, 550, 600 và 650 oC.

61

27. Hình 3.8: Sự phụ thuộc của độ đáp ứng ∆V vào nhiệt độ hoạt động (To) và nhiệt
độ nung ủ (Ts) khi cảm biến hoạt động trong 60 ppm khí NO2.

62

28. Hình 3.9: Đáp ứng điện áp ra V tại nhiệt độ hoạt động 550 oC khi cảm biến hoạt

động với các khí NO2, NO, CO, C3H8, CH4 tương ứng cho các nhiệt độ nung ủ Ts
= 700 oC (a), 800 oC (b), 1200 oC (c) và 1300 oC(d).

65

29. Hình 3.10: Biều đồ thể hiện sự so sánh giữa đáp ứng ∆V cho các khí NO2, NO,
CO, C3H8 và CH4 tại các nhiệt độ hoạt động T0 = 450-650 oC và tại các nhiệt độ
nung ủ Ts = 700 oC (a), 800 oC (b), 900 oC (c).

66

82


35. Hình 4.3: Độ đáp ứng ∆V của các cảm biến Pt/YSZ/LaCoO3 khi được ủ nhiệt tại
800 oC (a), 1000 oC (b) và 1200 oC (c) phụ thuộc nồng độ khí NO2 khi các cảm
biến hoạt động tại các nhiệt độ 550, 600 và 650 oC.

83

36. Hình 4.4: Đáp ứng điện thế ∆V của các cảm biến Pt/YSZ/LaCoO3 với cấu hình

được ủ tại 800 oC (a) , 1000 oC (b) và 1200 oC (c) khi khảo sát trong 60 ppm
(NO2, NO); 100 ppm CO; 500 ppm (CO2, C3H8, CH4) tại các nhiệt độ hoạt động
450, 500, 550, 600 và 650 oC.

84

37. Hình 4.5: Đáp ứng điện thế V của cảm biến Pt/YSZ/LaCoO3 (ủ tại 1000 oC) tại
nhiệt độ hoạt động 550 oC khi được khảo sát trong 60 ppm (NO2, NO); 100 ppm
CO; 500 ppm (CO2, C3H8, CH4) (a); và độ lặp lại tốt điện thế V của cảm biến theo
các chu kỳ 45 ppm NO2/không khí (b).

85

38. Hình 4.6: Minh họa đáp ứng ∆V theo các chu kỳ nồng độ khí CO (60, 100, 200,

400 ppm)/không khí của cảm biến Pt/YSZ/LaCoO3 (ủ tại 1200 oC) tại hai nhiệt độ
hoạt động 550 và 650 oC.

86


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu,
viết tắt

Tên tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1

YSZ

Yttria Stabilized Zirconia

Oxit ZrO2 pha tạp Y2O3

2

SE

Sensing Electrode

Điện cực nhạy

3

RE

Reference Electrode


Scanning Electron Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

10

XRD

X-Ray Diffraction

Nhiễu xạ tia X

11

JCPDS

Joint Committee on Powder
Diffraction Standards

Ủy ban chung về tiêu chuẩn
nhiễu xạ của vật liệu bột

12

Donors

Các tâm cho điện tử

13


Electrochemical gas sensor

Cảm biến khí điện hóa

Infrared

Hồng ngoại

18

IR

19

Ln

Nguyên tố đất hiếm

20

ABO3

Vật liệu oxit perovskite

21

O2-

22


27

V

Điện thế ra của cảm biến

28

∆V

Độ thay đổi điện thế của cảm
biến

29

HC

Các khí Hydro-cacbon

Các dạng oxy hấp phụ


MỞ ĐẦU
Hiện nay, biến đổi khí hậu nói chung và ô nhiễm môi trường nói riêng
đang là vấn đề toàn cầu. Ngày càng xuất hiện nhiều các hiện tượng khắc nghiệt
của thời tiết như hiện tượng hạn hán, lụt lội, siêu bão, nước biển dâng, v.v... Con
người đang phải đối mặt với những tác động không lường trước được do biến đổi
khí hậu và sự ô nhiễm môi trường mang lại như sự nóng lên của trái đất, ô nhiễm
không khí, ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm thực phẩm, phá hủy tầng ozone, v.v...

tập trung chính vào hai loại đó là “cảm biến độ dẫn điện” và “cảm biến điện hóa”
vì chúng có ưu điểm độ bền và ổn định cao, thiết kế đơn giản, giá thành rẻ, có
khả năng chế tạo hàng loạt, thời gian thực hiện phép đo nhanh, có thể thực hiện
đo trực tiếp và trực tuyến trong môi trường cần phân tích khí và dễ kết hợp với
thiết bị điều khiển khác [23,92,94]. Cảm biến độ dẫn điện có ưu điểm cho phát
hiện khí trong vùng nồng độ thấp đến có thể đạt mức nồng độ ppb (một phần tỉ).
Trong khi đó, cảm biến điện hóa dựa trên các oxit kim loại có ưu điểm cho việc
phân tích trực tiếp trong môi trường khắc nghiệt (ví dụ, môi trường khí thải có
nhiệt độ cao lên đến cả nghìn độ C và nhiều loại khí oxy hóa/khử khác nhau)
[169].
Vật liệu nhạy khí oxit kim loại hiện được nghiên cứu nhiều có thể kể ra như
là SnO2, ZnO, In2O3, WO3, Ga2O3 và một số oxit đa kim loại (oxit perovskite
ABO3, với A thường là nguyên tố đất hiếm, B thường là kim loại chuyển tiếp 3d),
v.v... [13,74]. Với oxit đa kim loại, do kết hợp được nhiều kim loại trong một cấu
trúc tinh thể chúng ta có ưu thế về việc điều khiển về độ dẫn điện và hoạt tính
tương tác khí.
Như chúng ta đã biết việc thương mại hóa được loại cảm biến điện hóa
Lambda (có đường đặc trưng giống như ký tự λ) dựa trên chất điện ly YSZ (ZrO2
pha tạp Y2O3) [169] trong công nghiệp ô tô đã mở hướng nghiên cứu, và ứng
dụng to lớn của cảm biến này cho việc phân tích khí trực tiếp ở nhiệt độ cao (đến
cả nghìn độ C), và đặc biệt là ứng dụng cho điều khiển quá trình đốt cháy tối ưu
nhiên liệu. Tuy nhiên, trong ứng dụng thực tế việc kiểm soát, khống chế quá trình
đốt cháy nhiên liệu chỉ sử dụng một loại cảm biến đo oxy là chưa đủ. Trên xu
hướng phát triển, cảm biến Lambda (có cấu hình: Pt/YSZ/Pt) đã được phát triển
thành cảm biến điện hóa cho đo đạc, phân tích các loại khí khác như NOx, HC,

2


CO, CO2 [4,51,83,105,114,150,169]. Khi đó trong cấu trúc cảm biến điện hóa


Đại học Bách khoa Hà Nội, đã thực hiện các nghiên cứu về cảm biến điện hóa
trên cơ sở chất điện ly rắn NASICON (hợp chất oxit Na-Zr-Si-P-O12) cho nhạy
khí CO2 từ những năm 2000 [132]; và hiện tại một nhóm nghiên cứu về cảm biến
khí điện hóa tại Viện Khoa học vật Liệu – Viện Khoa học và Công nghệ Việt
Nam quan tâm nghiên cứu về cảm biến sử dụng chất điện ly YSZ và điện cực
nhạy khí là các oxit kim loại. Đây cũng chính là đơn vị mà tác giả hợp tác, thực
hiện các nội dung nghiên cứu trong luận án này. Tác giả đã bắt đầu nghiên cứu về
vật liệu oxit perovskite ABO3 từ những năm 2001 và có nhiều kinh nghiệm về vật
liệu loại này, đặc biệt là các nghiên cứu liên quan đến tính chất cấu trúc tinh thể,
tính chất điện và tính chất từ [27,28,113,148].
Vật liệu Perovskite LaFeO3 đã được nghiên cứu nhiều cho điện cực cảm
biến với nhiều ưu điểm [16,41] như tương tác với khí hay xúc tác khí tốt, tính
tương tác khí thuận nghịch, có độ dẫn khá phù hợp cho điện cực nhạy khí của
cảm biến điện hóa (Eg = 2.1 - 2.3 eV tại nhiệt độ phòng). Mặt khác, có nhiều
nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ ủ cấu hình cảm biến như L. Zhou và cộng
sự [158] đã chỉ ra nhiệt độ ủ cấu hình cảm biến sẽ ảnh hưởng đến tính xốp, vi cấu
trúc, vùng chuyển tiếp YSZ/oxit kim loại từ đó ảnh hưởng đến xúc tác dị thể khi
khí xúc tác qua lớp điện cực oxit kim loại và phản ứng điện hóa tại vùng chuyển
tiếp 3 pha “Khí-YSZ-oxit kim loại”, điều này dẫn tới ảnh hưởng tới tính chất
nhạy khí của cảm biến điện hóa. Ngoài ra, với hệ vật liệu perovskite LaMO3 (M
là kim loại 3d) hoạt tính xúc tác, độ ổn định, độ dẫn điện, tính chất tương tác khí
thuận nghịch và tính xốp của điện cực phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn kim
loại chuyển tiếp 3d.
Trên cơ sở của các nghiên cứu ở trên, nghiên cứu sinh và tập thể hướng
dẫn đã thực hiện các nội dung trong luận án liên quan đến việc “Nghiên cứu, chế
tạo điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa từ vật liệu nanô Perovskite
LaMO3 (M = Mn, Fe, Ni, Co)”. Với hướng nghiên cứu này thì mục tiêu,

4

lưới), thay đổi quá trình ủ nhiệt cấu hình cảm biến để khảo sát sự thay đổi các đặc
trưng nhạy khí của các hệ cảm biến. Hình thái học, vi cấu trúc, và cấu trúc tinh
thể của vật liệu điện cực được chúng tôi tiến hành phân tích bằng kính hiển vi

5


điện tử quét HITACHI S-4800, phổ nhiễu xạ điện tử tia X (XRD-D8-Advance).
Tính chất nhạy khí của các cảm biến được nghiên cứu qua các phép đo thế giữa
các điện cực cảm biến trong môi trường không khí và các khí chuẩn cần khảo sát
tại hệ đo, và phân tích tính chất nhạy khí tại Phòng cảm biến và thiết bị đo khí Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công Nghệ Việt Nam.
4. Các kết quả của luận án đạt được:
Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được chúng tôi công bố trong 02 bài
báo trên các tạp chí quốc tế thuộc hệ thống SCI có chỉ số ảnh hưởng IF cao (01
bài trên tạp chí Sensors and Actuators B, IF2014 = 4.1 và 01 bài trên tạp chí
Electrochimica Acta, IF2014 = 4.5). Ngoài ra, còn một số kết quả đã được công bố
trên các tạp chí trong nước (03 bài) và kỷ yếu hội nghị (01 bài).
5. Nội dung của luận án:
Nội dung chính của luận án gồm 4 chương với các bố cục cụ thể sau đây:
Chương 1: Tổng quan
Trong khuôn khổ chương này, tác giả giới thiệu tổng quan về vật liệu nhạy khí
oxit kim loại và cảm biến điện hóa sử dụng chất điện ly YSZ và oxit kim loại.
Trong đó, tác giả nhấn mạnh về oxit kim loại bán dẫn perovskite ABO3 và ứng
dụng trong lĩnh vực nhạy khí. Ngoài ra, các đặc trưng cơ bản của vật liệu chất
điện ly rắn YSZ dùng trong cảm biến điện hóa rắn cũng được đề cập đến.
Chương 2: Thực nghiệm
Nội dung được đề cập trong chương này là trình bày sơ bộ phương pháp thực
nghiệm và các quy trình thí nghiệm để chế tạo các oxit perovskite LaMO3 (M =
Mn, Fe, Co và Ni) và tổng hợp chất điện ly rắn YSZ. Trình bày chi tiết quy trình
công nghệ chế tạo các cảm biến trên cơ sở điện cực oxit kim loại Pt/YSZ/ LaMO3

Việc phân tích, điều khiển và không chế khí độc, khí cháy nổ là vấn đề
nhận được sự quan tâm của giới công nghệ toàn cầu. Công nghệ sử dụng các cảm
biến cho việc phân tích và phát hiện nhanh các khí được tập trung nghiên cứu
cũng như thực hiện triển khai ứng dụng mạnh mẽ. Trong đó, cảm biến khí trên cơ
sở lớp nhạy khí oxit kim loại nhận được sự quan tâm đặc biệt do chúng thể hiện
tính chất nhạy khí phong phú, giá thành rẻ, thời gian đáp ứng nhanh, độ bền tốt,
v.v…
Cảm biến khí trên cơ sở vật liệu nhạy khí oxit kim loại có thể hoạt động
theo nhiều nguyên tắc như độ dẫn điện, cảm biến điện hóa, cảm biến sóng âm bề
mặt, cảm biến nhiệt xúc tác, v.v.. [23,74,169]. Tuy vậy, hai loại cảm biến được
nghiên cứu nhiều nhất là cảm biến độ dẫn điện và cảm biến điện hóa do chúng có
cấu tạo đơn giản, dễ thực hiện.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu và ứng dụng về cảm biến cũng được chú
trọng triển khai. Chúng ta có thể kể ra một số cơ sở nghiên cứu mạnh như Viện
đào tạo quốc tế về khóa học vật liệu (ITIMS) - Trường đại học bách khoa Hà Nội
[35,65,147,149,152], Viện vật lý kỹ thuật - Trường đại học bách khoa Hà Nội
[68,155,156], Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công Nghệ
Việt Nam [55-57]. Trong các nghiên cứu này, loại cảm biến khí được quan
nghiên cứu nhiều đó là cảm biến độ dẫn điện dựa trên một số nano-oxit kim loại
cho phát hiện các khí như NOx, NH3, hơi cồn, LPG, CO, HC, v.v... Trong khi đó,
các nghiên cứu về cảm biến điện hóa sử dụng chất điện ly rắn YSZ và điện cực
oxit kim loại còn khá hạn chế [56]. Vì vậy, dựa trên các nghiên cứu trước của tác
giả về vật liệu oxit perovskite ABO3 cùng với sự hợp tác giữa Khoa vật lý và
Công nghệ nano, Trường đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội với
Phòng cảm biến và thiết bị đo khí - Viện Khoa học vật liệu, tác giả đã tập trung
thực hiện vào việc nghiên cứu sử dụng oxit perovskite đất hiếm kim loại chuyển
tiếp 3d cho điện cực nhạy khí của cảm biến điện hóa YSZ.

8




1.1.1. Cấu trúc tinh thể
Trong cấu trúc tinh thể perovskite ABO3, nguyên tố A và B có số phối trí với
nguyên tố oxy tương ứng là 12 và 6. Hình 1.1 minh họa cấu trúc tinh thể lý tưởng
của ABO3.
− Cation B chiếm vị trí tại tâm của bát diện bao quanh bởi anion oxy.
− Cation A chiếm tại vị trí các đỉnh của hình lập phương.
− Anion oxy chiếm vị trí tâm các mặt của hình lập phương.
Với cấu trúc lý tưởng của perovskite ABO3 là hình lập phương khi đó có
mối liên hệ bán kính ion của các nguyên tố là: rA + r=
O

2(rB + rO ) . Trong đó rA,

rB, và rO lần lượt là bán kính ion của các nguyên tố A, B, và oxy. Tuy nhiên, khi
thay thế các nguyên tố A và B có bán kính cation thay đổi thì cấu trúc mạng tinh
thể lập phương bị thay đổi.

Hình 1.1: Vị trí của các ion trong cấu trúc mạng tinh thể của oxit perovskite ABO3.

10


Để đặc trưng cho tính chất này, Goldschmidt [58] đã đưa ra thừa số dung hạn t để
đánh giá sự méo mạng của cấu trúc ABO3 theo công thức sau:
t=

rA + rO
2(rB + rO )

độ dẫn điện có xu hướng tăng dần từ Sc đến Cu (như trên Hình 1.2).
Trong đó, thậm chí LaNiO3 và LaCuO3 còn thể hiện độ dẫn gần với vật
liệu kim loại. Tuy nhiên, hệ oxit perovskite LaMO3 khi xét kim loại 3d với các
trường hợp Mn, Fe, Co, Ni thì độ rộng vùng cấm cực đại ở Fe và giảm theo trình
tự Fe, Mn, Co, Ni.
Ngoài ra, độ dẫn điện của vật liệu perovskite họ đất hiếm kim loại chuyển
tiếp 3d có thể điều khiển bằng cách thay thế một phần nguyên tố đất hiếm (Ln)
bằng các kim loại kiềm hoặc kiềm thổ như Sr, Ca, Na, v.v..., [112,137].
Vật liệu oxit kim loại có cấu trúc perovskite LnMO3 khá linh động trong
việc điều khiển độ dẫn điện. Do vậy, đây là ưu điểm của vật liệu perovskite họ
đất hiếm-kim loại chuyển tiếp cho nghiên cứu về điện cực nhạy khí của cảm biến
điện hóa rắn.
1.1.3. Tính chất hấp phụ khí và hoạt tính xúc tác khí

a) Tính chất hấp phụ khí:
Tính chất hấp phụ khí của vật liệu oxit kim loại là một tham số quan trọng
khi nghiên cứu về tính xúc tác và tính nhạy khí. Như đã trình bày trên, tính chất

12


oxy hấp phụ trên bề mặt oxit kim loại đóng góp chính vào cơ chế nhạy khí của
vật liệu.
Theo Kremenic và đồng nghiệp [77] khi nghiên cứu đặc trưng hấp phụ khí
cho thấy với hệ oxit perovskite LaMO3 (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni) lượng oxy hấp
phụ cao nhất là ở LaMnO3 và LaCoO3 và thấp nhất là ở LaFeO3. Tuy nhiên, tính
hấp phụ thuận nghịch tốt nhất được quan sát thấy ở LaFeO3. Vì lý do này, chúng
ta có thể được giải thích với hệ LaMO3 thì LaFeO3 được nghiên cứu nhiều cho
cảm biến khí như trong các công bố [9,12,48,60,164].
Bằng nghiên cứu phổ giải hấp TPD (Temperature Programmed

không phải là yếu tố quyết định cho lựa chọn ứng dụng cảm biến khí. Đối với
một cảm biến khí ngoài độ nhạy đóng một vai trò quan trọng thì các tham số khác
như tính thuận nghịch, độ chọn lọc, độ ổn định và thời gian sống cũng được quan
tâm đặc biệt. Vì vậy, trong thực tế chỉ có số ít các vật liệu được lựa chọn cho cảm
biến khí, ví dụ oxit đơn kim loại: SnO2, ZnO, In2O3 và WO3; hoặc đa kim loại
như là LnMO3 (Ln là nguyên tố đất hiếm như La, Nd, Sm, v.v.; M là kim loại
chuyển tiếp 3d ví dụ như Fe, Co, Ni, v.v.).
Ngoài ra, để tăng cường tính chất nhạy khí các oxit kim loại này có thể
được pha tạp hoặc thêm vào các kim loại quý như Pt, Au, Pd, v.v.. Khi đó, các
kim loại quý này định xứ tại bề mặt của oxit kim loại và hoạt động theo hai
nguyên lý sau: Thứ nhất, tập trung các chất tương tác bằng cách hấp phụ (tăng
cường khả năng hấp phụ khí). Thứ hai làm giảm năng lượng hoạt hóa tạo thuận
lợi cho các quá trình phản ứng tương tác.
Đối với mỗi oxit kim loại, nồng độ tối ưu chất xúc tác thêm vào là khác
nhau. Nồng độ các chất xúc tác thường rất nhỏ chỉ khoảng một vài phần trăm tùy
thuộc oxit kim loại nền. Khi nồng độ chất xúc tác lớn sẽ đem các hiệu ứng tiêu
cực như tạo thành hợp kim với kim loại trong oxit, tạo ra hợp chất oxit mới, tăng
nồng độ hạt tải tự do. Do vậy, đưa ra kết luận rằng chỉ tồn tại một giới hạn nồng
độ chất xúc tác nhất định thêm vào vật liệu oxit kim loại nền để tính chất của lớp
nhạy khí đạt giá trị tối ưu.

14