基于離子導(dǎo)體的高溫氣體傳感器的研究
發(fā)布時間：2022-01-26 13:06
對化石燃料的燃燒過程、廢氣排放過程和煙氣處理過程中的氣體濃度在線監(jiān)測,是提高能源效率和減少有害氣體排放的關(guān)鍵,這就要求氣體傳感器能夠在溫度高、壓力大、環(huán)境惡劣、排氣速度快等惡劣的環(huán)境中工作。固體電解質(zhì)基氣體傳感器具有高靈敏度,易小型化,穩(wěn)定性好,測量范圍寬等優(yōu)點,是適用于高溫惡劣環(huán)境中最有發(fā)展前景的傳感器類型。圍繞適用于高溫氣體傳感器的固體電解質(zhì),設(shè)計、制備了新型氧離子導(dǎo)體和質(zhì)子導(dǎo)體材料。以相應(yīng)氧化物為原料,采用高溫固相合成法制備了Si位Mg、Al、W、In、Cr摻雜的磷灰石La10（SiO4）6O3氧離子導(dǎo)體,結(jié)果表明,800℃時La10Si5CrO26.65的電導(dǎo)率1.27×10-2 S·cm-1,活化能最小。通過容忍因子和能帶結(jié)構(gòu)模擬計算,選擇了Hf作為摻雜元素,采用雙燒結(jié)助劑法制備了BaZr0.6Hf0.2Y0.2O<...
【文章來源】：華北理工大學(xué)河北省
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
中國2019年12月和2018年6~8月二氧化氮平均濃度分布圖
華北理工大學(xué)博士學(xué)位論文-4-E為兩極間的電勢差，2Ot為氧離子的遷移數(shù)，Po2gas為敏感電極端待測氣體的氧分壓，Po2ref為參比電極端空氣的氧分壓（21%），R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，測得E和T，從而計算得到Po2gas。圖2平衡電位型氧傳感器工作原理示意圖[7]（2）混合電位傳感器1977年，F(xiàn)leming等[15]在研究氧傳感器時發(fā)現(xiàn)當(dāng)待測氣體中含有CO時，就不再符合Nernst方程；1980年，Okamoto等[16]提出了混合電勢的概念，當(dāng)多種氣體共存時，在電極上發(fā)生多個競爭性的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了混合電勢。如待測氣體中含有多種氧化還原氣體，如圖3所示，以含CO為例，在混合電位型傳感器的敏感電極表面發(fā)生化學(xué)催化作用[17]，反應(yīng)如式（3）所示：221()()()2COgOgCOg(3)或是待測氣體擴散至在三相界面TPB處，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)，如式（4）所示。22CO(g)O()CO(g)2e()電極電解質(zhì)(4)實驗中會出現(xiàn)兩種情況：一是采用高催化活性的敏感電極材料，如Pd、Rh或Pt等，CO含量與O2相比較少時，CO完全發(fā)生化學(xué)催化氧化反應(yīng)，達到熱動力平衡，傳感器受CO影響發(fā)生的電信號變化是可以忽略的，類似于平衡電位傳感器。另一種情況是由于敏感電極的化學(xué)催化活性不夠或是沒有達到發(fā)生化學(xué)氧化的溫度條件，造成CO未能在接觸面完全氧化，擴散至三相界面處，發(fā)生了如式（4）所示的陽極氧化反應(yīng)，待測氣體O2在三相界面處如式（3）所示的陰極還原反應(yīng)，這兩個反應(yīng)的相互競爭，當(dāng)反應(yīng)達到平衡時所就產(chǎn)生了混合電勢。在一定的氧分壓
第1章緒論-5-下，混合位響應(yīng)信號與CO氣體濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系。圖3混合電位型氣體傳感器工作原理示意圖[17]相對于平衡電位型氣體傳感器，混合電位型氣體傳感器具有更廣泛的適用性，特別適合于在高于600℃的溫度情況下檢測氧化還原氣體，包括NOx、H2、NH3、CO和HCs等。研究者們[17-19]利用廉價的氧化物敏感電極(SnO2、WO3和ZnO)來代替Pt、Pd貴金屬電極檢測還原性氣體，極大地改善了混合電位型氣體傳感器的敏感性。（3）電流型傳感器電流型傳感器的信號通常是帶有擴散阻擋層的擴散限制電流。通過擴散阻擋層的每個分析物分子在電極上立即反應(yīng)，也被稱為極限電流型。電流型傳感器的輸出信號與檢測氣體濃度成正比例關(guān)系，電流和濃度之間的線性關(guān)系通�？缭�3個數(shù)量級，在ppm到ppb范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高靈敏度測量，相比于電位型傳感器，電流型傳感器更適于檢測高濃度氣體檢測。通過采用合適的材料組合，合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，電流型氣體傳感器檢測范圍更加廣泛[20]，包括O2、H2、CO、NOx、SO2、H2S和含電活性基團的有機蒸氣（如醇或醛等）。(a)(b)(a)小孔型；(b)多孔型圖4電流型氧傳感器工作原理示意圖[20]
【參考文獻】：
期刊論文
[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]中國城市NOx排放的時空特征與驅(qū)動因素:基于空間分異視角[J]. 柏玲,羅溢斌,姜磊,楊東陽,崔遠政. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報. 2020(02)
[3]燒結(jié)機煙氣SCR脫硝系統(tǒng)前置和后置之技術(shù)分析[J]. 趙博. 中國資源綜合利用. 2019(06)
[4]固體氧化物燃料電池電化學(xué)阻抗譜差異化研究方法和分解[J]. 施王影,賈川,張永亮,呂澤偉,韓敏芳. 物理化學(xué)學(xué)報. 2019(05)
[5]改善BaZrO3基質(zhì)子導(dǎo)體導(dǎo)電性能研究進展[J]. 康立陽,李躍華,劉永光,朱靖,周會珠,戴磊,何章興,王嶺. 華北理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2019(02)
[6]煅燒溫度對8YSZ-WO3氨傳感器性能的影響[J]. 張晶晶,張騁,李學(xué)嬌,李強. 應(yīng)用技術(shù)學(xué)報. 2019(01)
[7]NiO敏感電極NH3傳感器制備及其響應(yīng)性能[J]. 章東興,鄒杰. 傳感器與微系統(tǒng). 2018(08)
[8]鍶摻雜對La1-xSrxNbO4-σ質(zhì)子導(dǎo)體性能的影響[J]. 王嶺,楊學(xué)賓,周會珠,李躍華,戴磊. 無機化學(xué)學(xué)報. 2014(02)
[9]磷灰石型硅酸鑭基氧離子導(dǎo)體研究進展[J]. 韓炳旭,王嶺,戴磊,李躍華. 功能材料. 2013(S1)
[10]以SnO2納米顆粒為敏感電極的阻抗型氫氣傳感器的研究[J]. 趙兵建,王嶺,何承,戴磊. 功能材料. 2011(S5)
博士論文
[1]CO2的固體氧化物電解池關(guān)鍵材料與電化學(xué)性能研究[D]. 李一航.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019
[2]電勢型氨傳感器敏感材料V2O5-WO3-TiO2的研究[D]. 王超.華中科技大學(xué) 2018
[3]基于穩(wěn)定氧化鋯和復(fù)合氧化物敏感電極的全固態(tài)電化學(xué)氣體傳感器研究[D]. 劉方猛.吉林大學(xué) 2017
[4]基于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號分析的氣體識別關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 張文娜.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013
[5]基于納米敏感材料和固體電解質(zhì)的NO2和H2傳感器的研究[D]. 戴磊.燕山大學(xué) 2013
[6]基于穩(wěn)定氧化鋯和氧化物電極的混成電位型車載氣體傳感器的研究[D]. 刁泉.吉林大學(xué) 2013
[7]金屬氧化物氣體傳感器響應(yīng)動力學(xué)特性與陣列優(yōu)化研究[D]. 張順平.華中科技大學(xué) 2009
[8]鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體的制備、性質(zhì)表征及其在鋁液脫氫和傳感測氫中的應(yīng)用[D]. 王東.東北大學(xué) 2009
碩士論文
[1]基于YSZ的混合電勢型NO2傳感器敏感電極結(jié)構(gòu)及材料的研究[D]. 許金龍.華中科技大學(xué) 2019
[2]NOx傳感器電化學(xué)泵功能單元設(shè)計及制備工藝研究[D]. 徐曉強.武漢科技大學(xué) 2019
[3]燃煤電廠脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度測量修正及噴氨量優(yōu)化控制研究[D]. 劉博文.浙江大學(xué) 2019
[4]基于鈣鈦礦型敏感電極NO2傳感器的制備及性能[D]. 馬利超.華北理工大學(xué) 2019
[5]燃燒法制備過渡離子摻雜磷灰石型硅酸鑭固體電解質(zhì)材料[D]. 李文昭.武漢工程大學(xué) 2017
[6]刮涂法制備具有高效三相界面的YSZ基混成電位型NO2傳感器的研究[D]. 程曉楊.吉林大學(xué) 2016
[7]基于摻雜、表面修飾及材料復(fù)合等方法提高氣體傳感器氣敏性能的研究[D]. 林穎.吉林大學(xué) 2016
[8]氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)的制備[D]. 榮爽.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 2014
[9]硅位摻雜磷灰石型硅酸鑭電解質(zhì)材料的制備與性能研究[D]. 魯冕.武漢工程大學(xué) 2014
[10]BaZr0.9Y0.1O3質(zhì)子導(dǎo)體的制備及燒結(jié)性能研究[D]. 張靖.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
本文編號：3610545
【文章來源】：華北理工大學(xué)河北省
【文章頁數(shù)】：172 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
中國2019年12月和2018年6~8月二氧化氮平均濃度分布圖
華北理工大學(xué)博士學(xué)位論文-4-E為兩極間的電勢差，2Ot為氧離子的遷移數(shù)，Po2gas為敏感電極端待測氣體的氧分壓，Po2ref為參比電極端空氣的氧分壓（21%），R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，測得E和T，從而計算得到Po2gas。圖2平衡電位型氧傳感器工作原理示意圖[7]（2）混合電位傳感器1977年，F(xiàn)leming等[15]在研究氧傳感器時發(fā)現(xiàn)當(dāng)待測氣體中含有CO時，就不再符合Nernst方程；1980年，Okamoto等[16]提出了混合電勢的概念，當(dāng)多種氣體共存時，在電極上發(fā)生多個競爭性的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了混合電勢。如待測氣體中含有多種氧化還原氣體，如圖3所示，以含CO為例，在混合電位型傳感器的敏感電極表面發(fā)生化學(xué)催化作用[17]，反應(yīng)如式（3）所示：221()()()2COgOgCOg(3)或是待測氣體擴散至在三相界面TPB處，發(fā)生電催化氧化反應(yīng)，如式（4）所示。22CO(g)O()CO(g)2e()電極電解質(zhì)(4)實驗中會出現(xiàn)兩種情況：一是采用高催化活性的敏感電極材料，如Pd、Rh或Pt等，CO含量與O2相比較少時，CO完全發(fā)生化學(xué)催化氧化反應(yīng)，達到熱動力平衡，傳感器受CO影響發(fā)生的電信號變化是可以忽略的，類似于平衡電位傳感器。另一種情況是由于敏感電極的化學(xué)催化活性不夠或是沒有達到發(fā)生化學(xué)氧化的溫度條件，造成CO未能在接觸面完全氧化，擴散至三相界面處，發(fā)生了如式（4）所示的陽極氧化反應(yīng)，待測氣體O2在三相界面處如式（3）所示的陰極還原反應(yīng)，這兩個反應(yīng)的相互競爭，當(dāng)反應(yīng)達到平衡時所就產(chǎn)生了混合電勢。在一定的氧分壓
第1章緒論-5-下，混合位響應(yīng)信號與CO氣體濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系。圖3混合電位型氣體傳感器工作原理示意圖[17]相對于平衡電位型氣體傳感器，混合電位型氣體傳感器具有更廣泛的適用性，特別適合于在高于600℃的溫度情況下檢測氧化還原氣體，包括NOx、H2、NH3、CO和HCs等。研究者們[17-19]利用廉價的氧化物敏感電極(SnO2、WO3和ZnO)來代替Pt、Pd貴金屬電極檢測還原性氣體，極大地改善了混合電位型氣體傳感器的敏感性。（3）電流型傳感器電流型傳感器的信號通常是帶有擴散阻擋層的擴散限制電流。通過擴散阻擋層的每個分析物分子在電極上立即反應(yīng)，也被稱為極限電流型。電流型傳感器的輸出信號與檢測氣體濃度成正比例關(guān)系，電流和濃度之間的線性關(guān)系通�？缭�3個數(shù)量級，在ppm到ppb范圍內(nèi)可以實現(xiàn)高靈敏度測量，相比于電位型傳感器，電流型傳感器更適于檢測高濃度氣體檢測。通過采用合適的材料組合，合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，電流型氣體傳感器檢測范圍更加廣泛[20]，包括O2、H2、CO、NOx、SO2、H2S和含電活性基團的有機蒸氣（如醇或醛等）。(a)(b)(a)小孔型；(b)多孔型圖4電流型氧傳感器工作原理示意圖[20]
【參考文獻】：
期刊論文
[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]中國城市NOx排放的時空特征與驅(qū)動因素:基于空間分異視角[J]. 柏玲,羅溢斌,姜磊,楊東陽,崔遠政. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報. 2020(02)
[3]燒結(jié)機煙氣SCR脫硝系統(tǒng)前置和后置之技術(shù)分析[J]. 趙博. 中國資源綜合利用. 2019(06)
[4]固體氧化物燃料電池電化學(xué)阻抗譜差異化研究方法和分解[J]. 施王影,賈川,張永亮,呂澤偉,韓敏芳. 物理化學(xué)學(xué)報. 2019(05)
[5]改善BaZrO3基質(zhì)子導(dǎo)體導(dǎo)電性能研究進展[J]. 康立陽,李躍華,劉永光,朱靖,周會珠,戴磊,何章興,王嶺. 華北理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2019(02)
[6]煅燒溫度對8YSZ-WO3氨傳感器性能的影響[J]. 張晶晶,張騁,李學(xué)嬌,李強. 應(yīng)用技術(shù)學(xué)報. 2019(01)
[7]NiO敏感電極NH3傳感器制備及其響應(yīng)性能[J]. 章東興,鄒杰. 傳感器與微系統(tǒng). 2018(08)
[8]鍶摻雜對La1-xSrxNbO4-σ質(zhì)子導(dǎo)體性能的影響[J]. 王嶺,楊學(xué)賓,周會珠,李躍華,戴磊. 無機化學(xué)學(xué)報. 2014(02)
[9]磷灰石型硅酸鑭基氧離子導(dǎo)體研究進展[J]. 韓炳旭,王嶺,戴磊,李躍華. 功能材料. 2013(S1)
[10]以SnO2納米顆粒為敏感電極的阻抗型氫氣傳感器的研究[J]. 趙兵建,王嶺,何承,戴磊. 功能材料. 2011(S5)
博士論文
[1]CO2的固體氧化物電解池關(guān)鍵材料與電化學(xué)性能研究[D]. 李一航.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2019
[2]電勢型氨傳感器敏感材料V2O5-WO3-TiO2的研究[D]. 王超.華中科技大學(xué) 2018
[3]基于穩(wěn)定氧化鋯和復(fù)合氧化物敏感電極的全固態(tài)電化學(xué)氣體傳感器研究[D]. 劉方猛.吉林大學(xué) 2017
[4]基于傳感器陣列瞬態(tài)響應(yīng)信號分析的氣體識別關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 張文娜.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013
[5]基于納米敏感材料和固體電解質(zhì)的NO2和H2傳感器的研究[D]. 戴磊.燕山大學(xué) 2013
[6]基于穩(wěn)定氧化鋯和氧化物電極的混成電位型車載氣體傳感器的研究[D]. 刁泉.吉林大學(xué) 2013
[7]金屬氧化物氣體傳感器響應(yīng)動力學(xué)特性與陣列優(yōu)化研究[D]. 張順平.華中科技大學(xué) 2009
[8]鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體的制備、性質(zhì)表征及其在鋁液脫氫和傳感測氫中的應(yīng)用[D]. 王東.東北大學(xué) 2009
碩士論文
[1]基于YSZ的混合電勢型NO2傳感器敏感電極結(jié)構(gòu)及材料的研究[D]. 許金龍.華中科技大學(xué) 2019
[2]NOx傳感器電化學(xué)泵功能單元設(shè)計及制備工藝研究[D]. 徐曉強.武漢科技大學(xué) 2019
[3]燃煤電廠脫硝系統(tǒng)入口NOx濃度測量修正及噴氨量優(yōu)化控制研究[D]. 劉博文.浙江大學(xué) 2019
[4]基于鈣鈦礦型敏感電極NO2傳感器的制備及性能[D]. 馬利超.華北理工大學(xué) 2019
[5]燃燒法制備過渡離子摻雜磷灰石型硅酸鑭固體電解質(zhì)材料[D]. 李文昭.武漢工程大學(xué) 2017
[6]刮涂法制備具有高效三相界面的YSZ基混成電位型NO2傳感器的研究[D]. 程曉楊.吉林大學(xué) 2016
[7]基于摻雜、表面修飾及材料復(fù)合等方法提高氣體傳感器氣敏性能的研究[D]. 林穎.吉林大學(xué) 2016
[8]氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯固體電解質(zhì)的制備[D]. 榮爽.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 2014
[9]硅位摻雜磷灰石型硅酸鑭電解質(zhì)材料的制備與性能研究[D]. 魯冕.武漢工程大學(xué) 2014
[10]BaZr0.9Y0.1O3質(zhì)子導(dǎo)體的制備及燒結(jié)性能研究[D]. 張靖.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012
本文編號：3610545
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