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

发布时间：2018-06-05 03:10

  本文选题：气体传感器 + 稳定氧化锆　； 参考：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：气体传感器是将气体浓度转换为易测信号的器件或装置,在环境监测、资源探测、安全监控、医学诊疗等领域具有重要应用。本文聚焦基于稳定氧化锆(YSZ)和复合氧化物敏感电极的全固态电化学气体传感器,从敏感电极材料的设计和制备入手,系统研究了面向机动车尾气监控的高温NO_x和NH_3传感器、针对大气中低浓度SO_2检测的气体传感器、面向挥发性有机物(VOCs)测量的高灵敏丙酮和乙醇传感器。通过极化曲线的测量,验证了上述传感器的敏感机理归属于混成电位机理;通过混合复合氧化物电极材料和YSZ颗粒,增加了三相反应界面的面积,提升了传感器的灵敏度。主要研究内容包括:(1)面向机动车(主要是柴油车和直喷式汽油车)尾气中NH_3浓度的实时在线监测,采用简单的溶胶-凝胶法制备了新型Ni_3V_2O_8复合氧化物敏感电极材料,并制作了基于YSZ和Ni_3V_2O_8敏感电极的混成电位型NH_3传感器。通过改变烧结温度(800、1000和1200°C)来调控敏感电极微结构,并研究其对传感器敏感特性的影响,发现在1000°C下烧结的Ni_3V_2O_8敏感电极在650°C工作温度下对50 500ppm NH_3显示了最大灵敏度,其值为-96 mV/decade,良好的敏感性能主要归因于敏感电极层疏松多孔的结构以及对NH_3优异的电化学催化活性。(2)为了对机动车尾气中NO_x进行净化处理,需要对其浓度进行实时精准测量,从敏感电极材料开发和高效三相界面构筑两方面入手构建了高性能车载YSZ基混成电位型NO_2传感器。I.合成了三种新型铌铁矿型复合氧化物敏感电极材料(CoNb_2O_6、ZnNb_2O_6和Ni Nb_2O_6),并研究了其对NO_2的敏感特性,发现以CoNb_2O_6为电极材料制作的器件在750°C下对NO_2具有最高的响应值(100ppm NO_2的响应值为99 mV),同时也具有良好的选择性、耐湿性和稳定性。II.以Co3V2O8为敏感电极制作的传感器(S0)在700°C下对100ppm NO_2的响应值仅为67 mV,但在Co_3V_2O_8敏感电极中掺入YSZ颗粒时,响应值明显上升,40wt.%YSZ为最佳掺入量,与传感器S0相比,对100ppm NO_2响应值提升了63 mV;敏感性能得到明显改善的原因在于YSZ颗粒的掺入使得敏感电极材料与固体电解质充分接触,有效增大了三相界面面积,增加了电化学反应活性位点的数量,促进电化学反应进行。(3)针对大气环境中低浓度SO_2的检测需求,研究了基于YSZ和铌铁矿型MnNb_2O_6复合氧化物敏感电极的SO_2传感器,通过改变材料的烧结温度(800、1000和1200°C)优化器件的敏感性能,在1000°C下烧结的MnNb_2O_6敏感电极在700°C工作温度下对SO_2的响应值最高,检测下限为50ppb;通过研究在不同气体中的复阻抗变化,解释了传感器对SO_2具有选择性的原因。(4)为了解决大气和微环境领域中丙酮的检测问题,首先,以M_3V_2O_8(M:Zn、Ni和Co)为敏感电极制作了YSZ基混成电位型丙酮传感器,研究了敏感电极种类对器件性能的影响,发现使用Zn3V2O8制作的传感器对丙酮表现出最高的响应值,在600°C下对100ppm丙酮的响应值为-69 mV,检测下限为1ppm;其次,为了获得更高敏感特性的丙酮传感器,制备了NiNb_2O_6敏感电极材料,并构筑了高性能YSZ基丙酮传感器,通过改变电极材料的烧结温度(800、1000和1200°C)来调控敏感电极微结构,进而优化传感器性能,在1000°C下烧成的传感器,在650°C工作温度下对100ppm丙酮的响应值为-113 mV,检测下限为500ppb;最后,面向糖尿病患者的呼气标志物的检测,设计并制备了铌铁矿型MNb_2O_6(M:Cd、Co、Zn、Mn和Ni)复合氧化物敏感电极材料,发现以CdNb_2O_6为敏感电极制作的器件对丙酮表现出最高响应值,检测下限达到200ppb。(5)针对低浓度乙醇的检测需求,使用MNb_2O_6(M:Zn、Ni和Co)敏感电极制作了高灵敏YSZ基乙醇传感器,通过选择敏感电极种类和优化器件烧结温度(800、1000和1200°C)提高传感器特性,结果表明:在1000°C烧成的ZnNb_2O_6对乙醇的响应值最高,在625°C下对5 200ppm乙醇的灵敏度高达-112 mV/decade;此外,传感器也表现出了很好的重复性、稳定性以及可接受的选择性。
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本文编号：1980192