基于离子导体的高温气体传感器的研究
发布时间：2022-01-26 13:06
对化石燃料的燃烧过程、废气排放过程和烟气处理过程中的气体浓度在线监测,是提高能源效率和减少有害气体排放的关键,这就要求气体传感器能够在温度高、压力大、环境恶劣、排气速度快等恶劣的环境中工作。固体电解质基气体传感器具有高灵敏度,易小型化,稳定性好,测量范围宽等优点,是适用于高温恶劣环境中最有发展前景的传感器类型。围绕适用于高温气体传感器的固体电解质,设计、制备了新型氧离子导体和质子导体材料。以相应氧化物为原料,采用高温固相合成法制备了Si位Mg、Al、W、In、Cr掺杂的磷灰石La10（SiO4）6O3氧离子导体,结果表明,800℃时La10Si5CrO26.65的电导率1.27×10-2 S·cm-1,活化能最小。通过容忍因子和能带结构模拟计算,选择了Hf作为掺杂元素,采用双烧结助剂法制备了BaZr0.6Hf0.2Y0.2O<...
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国2019年12月和2018年6~8月二氧化氮平均浓度分布图
华北理工大学博士学位论文-4-E为两极间的电势差，2Ot为氧离子的迁移数，Po2gas为敏感电极端待测气体的氧分压，Po2ref为参比电极端空气的氧分压（21%），R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，测得E和T，从而计算得到Po2gas。图2平衡电位型氧传感器工作原理示意图[7]（2）混合电位传感器1977年，Fleming等[15]在研究氧传感器时发现当待测气体中含有CO时，就不再符合Nernst方程；1980年，Okamoto等[16]提出了混合电势的概念，当多种气体共存时，在电极上发生多个竞争性的电化学反应，产生了混合电势。如待测气体中含有多种氧化还原气体，如图3所示，以含CO为例，在混合电位型传感器的敏感电极表面发生化学催化作用[17]，反应如式（3）所示：221()()()2COgOgCOg(3)或是待测气体扩散至在三相界面TPB处，发生电催化氧化反应，如式（4）所示。22CO(g)O()CO(g)2e()电极电解质(4)实验中会出现两种情况：一是采用高催化活性的敏感电极材料，如Pd、Rh或Pt等，CO含量与O2相比较少时，CO完全发生化学催化氧化反应，达到热动力平衡，传感器受CO影响发生的电信号变化是可以忽略的，类似于平衡电位传感器。另一种情况是由于敏感电极的化学催化活性不够或是没有达到发生化学氧化的温度条件，造成CO未能在接触面完全氧化，扩散至三相界面处，发生了如式（4）所示的阳极氧化反应，待测气体O2在三相界面处如式（3）所示的阴极还原反应，这两个反应的相互竞争，当反应达到平衡时所就产生了混合电势。在一定的氧分压
第1章绪论-5-下，混合位响应信号与CO气体浓度的对数呈线性关系。图3混合电位型气体传感器工作原理示意图[17]相对于平衡电位型气体传感器，混合电位型气体传感器具有更广泛的适用性，特别适合于在高于600℃的温度情况下检测氧化还原气体，包括NOx、H2、NH3、CO和HCs等。研究者们[17-19]利用廉价的氧化物敏感电极(SnO2、WO3和ZnO)来代替Pt、Pd贵金属电极检测还原性气体，极大地改善了混合电位型气体传感器的敏感性。（3）电流型传感器电流型传感器的信号通常是带有扩散阻挡层的扩散限制电流。通过扩散阻挡层的每个分析物分子在电极上立即反应，也被称为极限电流型。电流型传感器的输出信号与检测气体浓度成正比例关系，电流和浓度之间的线性关系通常跨越3个数量级，在ppm到ppb范围内可以实现高灵敏度测量，相比于电位型传感器，电流型传感器更适于检测高浓度气体检测。通过采用合适的材料组合，合理的设计结构，电流型气体传感器检测范围更加广泛[20]，包括O2、H2、CO、NOx、SO2、H2S和含电活性基团的有机蒸气（如醇或醛等）。(a)(b)(a)小孔型；(b)多孔型图4电流型氧传感器工作原理示意图[20]
【参考文献】：
期刊论文
[1]A2B2O7 pyrochlore compounds:A category of potential materials for clean energy and environment protection catalysis[J]. Junwei Xu,Rong Xi,Xianglan Xu,Yan Zhang,Xiaohui Feng,Xiuzhong Fang,Xiang Wang. Journal of Rare Earths. 2020(08)
[2]中国城市NOx排放的时空特征与驱动因素:基于空间分异视角[J]. 柏玲,罗溢斌,姜磊,杨东阳,崔远政. 环境科学学报. 2020(02)
[3]烧结机烟气SCR脱硝系统前置和后置之技术分析[J]. 赵博. 中国资源综合利用. 2019(06)
[4]固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 施王影,贾川,张永亮,吕泽伟,韩敏芳. 物理化学学报. 2019(05)
[5]改善BaZrO3基质子导体导电性能研究进展[J]. 康立阳,李跃华,刘永光,朱靖,周会珠,戴磊,何章兴,王岭. 华北理工大学学报(自然科学版). 2019(02)
[6]煅烧温度对8YSZ-WO3氨传感器性能的影响[J]. 张晶晶,张骋,李学娇,李强. 应用技术学报. 2019(01)
[7]NiO敏感电极NH3传感器制备及其响应性能[J]. 章东兴,邹杰. 传感器与微系统. 2018(08)
[8]锶掺杂对La1-xSrxNbO4-σ质子导体性能的影响[J]. 王岭,杨学宾,周会珠,李跃华,戴磊. 无机化学学报. 2014(02)
[9]磷灰石型硅酸镧基氧离子导体研究进展[J]. 韩炳旭,王岭,戴磊,李跃华. 功能材料. 2013(S1)
[10]以SnO2纳米颗粒为敏感电极的阻抗型氢气传感器的研究[J]. 赵兵建,王岭,何承,戴磊. 功能材料. 2011(S5)
博士论文
[1]CO2的固体氧化物电解池关键材料与电化学性能研究[D]. 李一航.中国科学技术大学 2019
[2]电势型氨传感器敏感材料V2O5-WO3-TiO2的研究[D]. 王超.华中科技大学 2018
[3]基于稳定氧化锆和复合氧化物敏感电极的全固态电化学气体传感器研究[D]. 刘方猛.吉林大学 2017
[4]基于传感器阵列瞬态响应信号分析的气体识别关键技术研究[D]. 张文娜.国防科学技术大学 2013
[5]基于纳米敏感材料和固体电解质的NO2和H2传感器的研究[D]. 戴磊.燕山大学 2013
[6]基于稳定氧化锆和氧化物电极的混成电位型车载气体传感器的研究[D]. 刁泉.吉林大学 2013
[7]金属氧化物气体传感器响应动力学特性与阵列优化研究[D]. 张顺平.华中科技大学 2009
[8]钙钛矿型质子导体的制备、性质表征及其在铝液脱氢和传感测氢中的应用[D]. 王东.东北大学 2009
硕士论文
[1]基于YSZ的混合电势型NO2传感器敏感电极结构及材料的研究[D]. 许金龙.华中科技大学 2019
[2]NOx传感器电化学泵功能单元设计及制备工艺研究[D]. 徐晓强.武汉科技大学 2019
[3]燃煤电厂脱硝系统入口NOx浓度测量修正及喷氨量优化控制研究[D]. 刘博文.浙江大学 2019
[4]基于钙钛矿型敏感电极NO2传感器的制备及性能[D]. 马利超.华北理工大学 2019
[5]燃烧法制备过渡离子掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料[D]. 李文昭.武汉工程大学 2017
[6]刮涂法制备具有高效三相界面的YSZ基混成电位型NO2传感器的研究[D]. 程晓杨.吉林大学 2016
[7]基于掺杂、表面修饰及材料复合等方法提高气体传感器气敏性能的研究[D]. 林颖.吉林大学 2016
[8]氧化钪稳定氧化锆固体电解质的制备[D]. 荣爽.内蒙古科技大学 2014
[9]硅位掺杂磷灰石型硅酸镧电解质材料的制备与性能研究[D]. 鲁冕.武汉工程大学 2014
[10]BaZr0.9Y0.1O3质子导体的制备及烧结性能研究[D]. 张靖.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3610545
【文章来源】：华北理工大学河北省
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
中国2019年12月和2018年6~8月二氧化氮平均浓度分布图
华北理工大学博士学位论文-4-E为两极间的电势差，2Ot为氧离子的迁移数，Po2gas为敏感电极端待测气体的氧分压，Po2ref为参比电极端空气的氧分压（21%），R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数，测得E和T，从而计算得到Po2gas。图2平衡电位型氧传感器工作原理示意图[7]（2）混合电位传感器1977年，Fleming等[15]在研究氧传感器时发现当待测气体中含有CO时，就不再符合Nernst方程；1980年，Okamoto等[16]提出了混合电势的概念，当多种气体共存时，在电极上发生多个竞争性的电化学反应，产生了混合电势。如待测气体中含有多种氧化还原气体，如图3所示，以含CO为例，在混合电位型传感器的敏感电极表面发生化学催化作用[17]，反应如式（3）所示：221()()()2COgOgCOg(3)或是待测气体扩散至在三相界面TPB处，发生电催化氧化反应，如式（4）所示。22CO(g)O()CO(g)2e()电极电解质(4)实验中会出现两种情况：一是采用高催化活性的敏感电极材料，如Pd、Rh或Pt等，CO含量与O2相比较少时，CO完全发生化学催化氧化反应，达到热动力平衡，传感器受CO影响发生的电信号变化是可以忽略的，类似于平衡电位传感器。另一种情况是由于敏感电极的化学催化活性不够或是没有达到发生化学氧化的温度条件，造成CO未能在接触面完全氧化，扩散至三相界面处，发生了如式（4）所示的阳极氧化反应，待测气体O2在三相界面处如式（3）所示的阴极还原反应，这两个反应的相互竞争，当反应达到平衡时所就产生了混合电势。在一定的氧分压
第1章绪论-5-下，混合位响应信号与CO气体浓度的对数呈线性关系。图3混合电位型气体传感器工作原理示意图[17]相对于平衡电位型气体传感器，混合电位型气体传感器具有更广泛的适用性，特别适合于在高于600℃的温度情况下检测氧化还原气体，包括NOx、H2、NH3、CO和HCs等。研究者们[17-19]利用廉价的氧化物敏感电极(SnO2、WO3和ZnO)来代替Pt、Pd贵金属电极检测还原性气体，极大地改善了混合电位型气体传感器的敏感性。（3）电流型传感器电流型传感器的信号通常是带有扩散阻挡层的扩散限制电流。通过扩散阻挡层的每个分析物分子在电极上立即反应，也被称为极限电流型。电流型传感器的输出信号与检测气体浓度成正比例关系，电流和浓度之间的线性关系通常跨越3个数量级，在ppm到ppb范围内可以实现高灵敏度测量，相比于电位型传感器，电流型传感器更适于检测高浓度气体检测。通过采用合适的材料组合，合理的设计结构，电流型气体传感器检测范围更加广泛[20]，包括O2、H2、CO、NOx、SO2、H2S和含电活性基团的有机蒸气（如醇或醛等）。(a)(b)(a)小孔型；(b)多孔型图4电流型氧传感器工作原理示意图[20]
【参考文献】：
期刊论文
[1]A2B2O7 pyrochlore compounds:A category of potential materials for clean energy and environment protection catalysis[J]. Junwei Xu,Rong Xi,Xianglan Xu,Yan Zhang,Xiaohui Feng,Xiuzhong Fang,Xiang Wang. Journal of Rare Earths. 2020(08)
[2]中国城市NOx排放的时空特征与驱动因素:基于空间分异视角[J]. 柏玲,罗溢斌,姜磊,杨东阳,崔远政. 环境科学学报. 2020(02)
[3]烧结机烟气SCR脱硝系统前置和后置之技术分析[J]. 赵博. 中国资源综合利用. 2019(06)
[4]固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 施王影,贾川,张永亮,吕泽伟,韩敏芳. 物理化学学报. 2019(05)
[5]改善BaZrO3基质子导体导电性能研究进展[J]. 康立阳,李跃华,刘永光,朱靖,周会珠,戴磊,何章兴,王岭. 华北理工大学学报(自然科学版). 2019(02)
[6]煅烧温度对8YSZ-WO3氨传感器性能的影响[J]. 张晶晶,张骋,李学娇,李强. 应用技术学报. 2019(01)
[7]NiO敏感电极NH3传感器制备及其响应性能[J]. 章东兴,邹杰. 传感器与微系统. 2018(08)
[8]锶掺杂对La1-xSrxNbO4-σ质子导体性能的影响[J]. 王岭,杨学宾,周会珠,李跃华,戴磊. 无机化学学报. 2014(02)
[9]磷灰石型硅酸镧基氧离子导体研究进展[J]. 韩炳旭,王岭,戴磊,李跃华. 功能材料. 2013(S1)
[10]以SnO2纳米颗粒为敏感电极的阻抗型氢气传感器的研究[J]. 赵兵建,王岭,何承,戴磊. 功能材料. 2011(S5)
博士论文
[1]CO2的固体氧化物电解池关键材料与电化学性能研究[D]. 李一航.中国科学技术大学 2019
[2]电势型氨传感器敏感材料V2O5-WO3-TiO2的研究[D]. 王超.华中科技大学 2018
[3]基于稳定氧化锆和复合氧化物敏感电极的全固态电化学气体传感器研究[D]. 刘方猛.吉林大学 2017
[4]基于传感器阵列瞬态响应信号分析的气体识别关键技术研究[D]. 张文娜.国防科学技术大学 2013
[5]基于纳米敏感材料和固体电解质的NO2和H2传感器的研究[D]. 戴磊.燕山大学 2013
[6]基于稳定氧化锆和氧化物电极的混成电位型车载气体传感器的研究[D]. 刁泉.吉林大学 2013
[7]金属氧化物气体传感器响应动力学特性与阵列优化研究[D]. 张顺平.华中科技大学 2009
[8]钙钛矿型质子导体的制备、性质表征及其在铝液脱氢和传感测氢中的应用[D]. 王东.东北大学 2009
硕士论文
[1]基于YSZ的混合电势型NO2传感器敏感电极结构及材料的研究[D]. 许金龙.华中科技大学 2019
[2]NOx传感器电化学泵功能单元设计及制备工艺研究[D]. 徐晓强.武汉科技大学 2019
[3]燃煤电厂脱硝系统入口NOx浓度测量修正及喷氨量优化控制研究[D]. 刘博文.浙江大学 2019
[4]基于钙钛矿型敏感电极NO2传感器的制备及性能[D]. 马利超.华北理工大学 2019
[5]燃烧法制备过渡离子掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料[D]. 李文昭.武汉工程大学 2017
[6]刮涂法制备具有高效三相界面的YSZ基混成电位型NO2传感器的研究[D]. 程晓杨.吉林大学 2016
[7]基于掺杂、表面修饰及材料复合等方法提高气体传感器气敏性能的研究[D]. 林颖.吉林大学 2016
[8]氧化钪稳定氧化锆固体电解质的制备[D]. 荣爽.内蒙古科技大学 2014
[9]硅位掺杂磷灰石型硅酸镧电解质材料的制备与性能研究[D]. 鲁冕.武汉工程大学 2014
[10]BaZr0.9Y0.1O3质子导体的制备及烧结性能研究[D]. 张靖.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3610545
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