氧化釔摻雜穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)是一種具有氧離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì),因其具有較高的離子導(dǎo)電性和在氧化還原氣氛下的高穩(wěn)定性,被認(rèn)為是制作固體電解質(zhì)型氣體傳感器的最佳材料�；赮SZ的混合電位型氫氣傳感器以其價(jià)格低廉、靈敏度高、易于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、尤其可在高溫惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)備受國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。研究表明此類氫氣傳感器發(fā)展的關(guān)鍵在于對(duì)新型納米氣敏材料的制備和研究。納米鎢酸鹽材料由于具有優(yōu)越的光學(xué)、化學(xué)、電學(xué)等性能在光致發(fā)光、催化劑及氣體傳感器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此,制備納米鎢酸鹽材料,探索其性質(zhì),開發(fā)其應(yīng)用已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文主要研究MnW04、CoWO4、FeWO4和CdWO4四種納米鎢酸鹽材料的制備表征及其制成的YSZ基混合電位型氫氣傳感器的性能。采用水熱合成方法制備了MnWO4納米材料,一并應(yīng)用XRD、SEM對(duì)其進(jìn)行了表征。根據(jù)表征結(jié)果分析了不同pH值對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物形貌的影響,總結(jié)了水熱法制備納米鎢酸鹽材料的最佳條件為PH=9、T=180℃、反應(yīng)12小時(shí)。首次提出了MnWO4|YSZ|Pt混合電位型氫氣傳感器并對(duì)傳感器的性能進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明MnWO4|YSZ|Pt氫氣傳感器的最佳工作溫度為500℃;在CO、NO2、C3H6、C3Hj和H2五種不同氣氛中傳感器對(duì)氫氣具有優(yōu)異的選擇性;傳感器同時(shí)具有良好的重復(fù)性、一致性和穩(wěn)定性,更適用于低氧濃度的干燥環(huán)境中。在水熱合成的最佳條件下制備了CoWO4納米材料,應(yīng)用XRD、SEM和XPS三種不同方法對(duì)材料進(jìn)行了表征,經(jīng)分析得出CoWO4為富氧結(jié)構(gòu),其精確分子式為CoWO4.5。研制了CoWO4|YSZ|Pt混合電位型氫氣傳感器,并在不同溫度、不同氣氛、不同氧濃度以及不同濕度條件下研究了傳感器對(duì)氫氣的氣敏性能。結(jié)果顯示CoWO4|YSZ|Pt氫氣傳感器的最佳工作溫度為450℃;傳感器對(duì)氫氣具有非常好的選擇性、重復(fù)性和一致性;在氧氣濃度為10%的干燥環(huán)境中響應(yīng)更佳。為了對(duì)傳感器的電極性能進(jìn)行深入分析,建立了傳感器的電極工作模型,并測(cè)試了傳感器電極的極化性能。元素周期表中Mn、Fe、Co為同一周期的相鄰族過(guò)渡金屬元素,推測(cè)它們對(duì)應(yīng)的鎢酸鹽應(yīng)具有相似的性能。采用水熱合成法制備了 FeWO4納米材料,共同使用XRD和SEM對(duì)其進(jìn)行了表征。研制了FeWO4|YSZ|Pt混合電位型氫氣傳感器,并在不同測(cè)試條件下系統(tǒng)地研究了傳感器的氣敏性能。結(jié)果顯示FeWO4| YSZ|Pt氫氣傳感器的最佳工作溫度為500℃;在不同干擾氣氛下對(duì)氫氣具有良好的選擇性;傳感器的重復(fù)性和一致性良好;在低氧濃度的干燥環(huán)境中響應(yīng)性能更優(yōu)。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了MnWO4、FeWO4和CoWO4具有相似的性能,這主要是由于相鄰族過(guò)渡金屬元素具有相同的電子架構(gòu),它們都具有未被電子充滿的價(jià)層3d軌道。Zn和Cd是元素周期表中相鄰的同族元素,同族元素對(duì)應(yīng)的鎢酸鹽性能應(yīng)該相似。本課題組已對(duì)ZnWO4納米材料的氣敏性能進(jìn)行過(guò)測(cè)試。采用共同沉淀法制備了 CdWO4納米材料,同時(shí)應(yīng)用XRD和SEM對(duì)其進(jìn)行了表征。研制了CdWO4|YSZ|Pt混合電位型氫氣傳感器并在不同條件下測(cè)試了傳感器的氣敏性能。結(jié)果顯示CdWO4|YSZ|Pt氫氣傳感器的最佳工作溫度為500℃;傳感器具有良好的重復(fù)性和一致性,更適用于低氧濃度的環(huán)境中。但傳感器對(duì)氫氣的選擇性不佳,易受到CO氣體的干擾。在傳感器電極工作模型的基礎(chǔ)上,引入Warburg和CPE電化學(xué)元件構(gòu)建了傳感器的等效電路,并通過(guò)ZView軟件對(duì)等效電路進(jìn)行了最佳擬合。進(jìn)一步測(cè)試了傳感器的直流極化特性和交流復(fù)阻抗特性,從多角度地分析了傳感器的氣敏機(jī)理完全符合混合電位理論。詳細(xì)對(duì)比了由MnWO4、CoWO4、FeWO4和CdWO4四種納米鎢酸鹽材料制成的氫氣傳感器的性能,總結(jié)了四種傳感器的最佳工作條件及優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)分析得到COWO4|YSZ|Pt氫氣傳感器對(duì)高溫工作條件要求稍低,響應(yīng)靈敏度更高,對(duì)氫氣的選擇性更好,響應(yīng)恢復(fù)速度略快,此傳感器的性能最優(yōu)。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212
【部分圖文】：

近年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型功能材料，它在環(huán)保、能源、著廣泛的應(yīng)用。早期ＮＡＳＩＣＯＮ主要用于研制鈉硫電池和ＯＮ主要用于研制測(cè)試大氣中有害氣體成分的氣體傳感ＮＡＳＩＣＯＮ為離子導(dǎo)電層，以Ｐｔ－Ｂｉ２０３為敏感電極材料制３００°Ｃ不同溫度條件下測(cè)試了傳感器對(duì)ＣＯ的響應(yīng)電壓和響［５１］使用ＮＡＳＩＣＯＮ和多孔的ＢａＣ０３薄膜制作了?Ｃ０２氣體傳下對(duì)３００－７５５ｐｐｍ濃度的Ｃ０２氣體的響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試分析。Ｎ為離子導(dǎo)電層，采用Ｃｒ２０３作為敏感電極材料制作了氯感器對(duì)氯氣展現(xiàn)出非常高的敏感性能。通過(guò)將參考電極埋考電極的面積，還可以大大提高傳感器對(duì)氯氣的靈敏度。，基于ＮＡＳＩＣＯＮ固體電解質(zhì)的ＮＯ、ＶＯＣ、甲苯等氣體］。??ＩＣＯＮ材料本身不夠致密，電學(xué)性能不佳，由其制成的氣濃度的氣體。此類型的氣體傳感器一般響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)化，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)研究。??

?鈣鈦礦原指一種分子式為ＣａＴｉ０３的礦物，屬于立方晶系，簡(jiǎn)單點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦??的典型理想化學(xué)式為ＡＢ０３，其晶體結(jié)構(gòu)如圖１．３所示。每個(gè)晶胞中含有一個(gè)Ａ、一個(gè)Ｂ??和三個(gè)Ｏ離子［５９］，其中正離子Ａ形成立方體結(jié)構(gòu)，氧離子位于立方體的六個(gè)面上，正??離子Ｂ則位于氧離子八面體的間隙中。ＡＢ０３型鈣鈦礦本身并不含有自由導(dǎo)電的質(zhì)子，??但對(duì)其進(jìn)行摻雜后內(nèi)部形成晶格缺陷則具有質(zhì)子導(dǎo)電性，進(jìn)而成為質(zhì)子導(dǎo)體。??獅??圖１．３?ＡＢ０３型鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)??Ｆｉｇ．?１．３?Ｔｈｅ?ｃｒａｙｓｔｌｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＡＢＯ３?ｔｙｐｅ?ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ??１９８１年，１＼￥人１＾八１＾等［６（１］首次報(bào)道了摻雜５％Ｙｂ３＋的ＳｒＣｅ０３鈣鈦礦在６００－１０００°Ｃ的含??氫氣氛中具有良好的質(zhì)子導(dǎo)電性。從此ａｂｏ３型鈣鈦礦質(zhì)子導(dǎo)體受到了研究人員的普遍??關(guān)注。１９８８年，１界八？｛八１＾等［６１］又報(bào)道了摻雜的ＢａＣｅ０３，其質(zhì)子遷移數(shù)稍低，但質(zhì)子導(dǎo)??電率更高。隨后ＩＷＡＨＡＲＡ陸續(xù)報(bào)道了摻雜的鋯酸鹽鈣鈦礦ＣａＺｒ０３、ＳｒＺｒ０３、ＢａＺｒ０３［６２］，??與前兩種材料相比摻雜的鋯酸鹽鈣鈦礦具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和更穩(wěn)定的化學(xué)性能。為什??么ＡＢ０３Ｓ鈣鈦礦質(zhì)子導(dǎo)體中可以容易地?fù)饺氩煌愋偷碾s質(zhì)呢？原因是由于其晶體結(jié)??構(gòu)中具有兩種粒徑大小不同的陽(yáng)離子，這種結(jié)構(gòu)使得ａｂｏ３型質(zhì)子導(dǎo)體的摻雜具有非常??大的靈活性

ＹＳＺ基納米鎢酸鹽混合電位型氫氣傳感器研究???然而，基于ＡＢ０３型鈣鈦礦質(zhì)子導(dǎo)體的某些應(yīng)用具有局限性。如：ＢａＣｅ０３在高壓??水蒸氣中會(huì)發(fā)生分解［６６］。在含有Ｈ２和Ｃ０２氣體的混合氣氛中，由３１６〇３或ＢａＣｅＣｂ??制成的氫氣傳感器，通常情況下３１＾６〇３和ＢａＣｅ０３會(huì)與Ｃ０２氣體發(fā)生反應(yīng)生成具??堿土金屬元素的碳酸鹽，進(jìn)而影響了傳感器對(duì)氫氣的檢測(cè)［６７］。考慮到氫氣傳感器的穩(wěn)??問(wèn)題，制作基于固體電解質(zhì)的氫氣傳感器在材料的選擇上大多會(huì)使用性能更加穩(wěn)定??ＹＳＺ固體電解質(zhì)。??３）?ＹＳＺ??二氧化鋯（Ｚｒ０２）是應(yīng)用最早的固體電解質(zhì)材料之一，純凈的Ｚｒ０２具有良好的光學(xué)、??、電學(xué)和機(jī)械特性，但它的離子導(dǎo)電能力很低，不能作為氣體傳感器的固體電解質(zhì)??。純凈Ｚｒ〇２的三種晶體結(jié)構(gòu)如圖１．４所示，分為單斜相（ｍｏｎｏｃｌｉｎｉｃ）晶體結(jié)構(gòu)、四??（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）晶體結(jié)構(gòu)和立方相（ｃｕｂｉｃ）晶體結(jié)構(gòu)［６８］。??
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉建國(guó);安振濤;張倩;;新型電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展[J];傳感器與微系統(tǒng);2013年07期

2 井云鵬;;氣體傳感器研究進(jìn)展[J];硅谷;2013年11期

3 盧革宇;劉鳳敏;孫彥峰;梁喜雙;高原;孫鵬;全寶富;;全固態(tài)氣體傳感器的研究進(jìn)展[J];真空電子技術(shù);2013年02期

4 張昌龍;左艷彬;何小玲;周海濤;王金亮;霍漢德;盧福華;;水熱法生長(zhǎng)晶體新進(jìn)展[J];人工晶體學(xué)報(bào);2012年S1期

5 余芳;曹麗云;黃劍鋒;吳建鵬;;水熱法制備FeWO_4微晶及其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究[J];人工晶體學(xué)報(bào);2012年03期

6 王崢;蔣丹宇;馮濤;夏金峰;;幾種固體電解質(zhì)型氣體傳感器的研究進(jìn)展[J];現(xiàn)代技術(shù)陶瓷;2011年03期

7 張軻;劉述麗;劉明明;張洪波;魯捷;曹中秋;張輝;;氫能的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年09期

8 劉宏亮;楊明紅;代吉祥;李小兵;廖招龍;何偉;;基于鈀及其復(fù)合膜的光纖氫氣傳感器特性研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年12期

9 閆強(qiáng);陳毓川;王安建;王高尚;于汶加;陳其慎;;我國(guó)新能源發(fā)展障礙與應(yīng)對(duì):全球現(xiàn)狀評(píng)述[J];地球?qū)W報(bào);2010年05期

10 郭金學(xué);陳菲;;納米鎢酸錳的超聲合成及其性質(zhì)研究[J];青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 周玉雪;鎢酸鹽功能性納米材料的液相化學(xué)合成與磁學(xué)性能研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前8條

1 唐招運(yùn);基于YSZ混合電位高溫H_2傳感器氣敏性能研究[D];大連理工大學(xué);2015年

2 何秀娟;CoWO_4微晶的制備及性能研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

3 劉麗鵬;基于多孔TiO_2納米材料甲醛氣體傳感器的研究[D];大連理工大學(xué);2014年

4 章志珍;NASICON結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)Na_3Zr_2Si_2PO_(12)的制備與改性[D];浙江理工大學(xué);2013年

5 郭泗冉;鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體用于鋁液測(cè)氫脫氫的基礎(chǔ)研究[D];東北大學(xué);2011年

6 肖紅;基于過(guò)渡金屬材料儲(chǔ)氫的機(jī)理研究[D];湘潭大學(xué);2010年

7 王洪濤;SrCe_（1-x）Yb_xO（3-α）陶瓷的合成及其電性能研究[D];蘇州大學(xué);2005年

8 孫蕾;用于聲表面波甲醛傳感器的相關(guān)系統(tǒng)研究[D];大連理工大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2863619