过渡金属掺杂LSGM致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的研究

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致密扩散障碍层极限电流型氧传感器克服了孔隙型极限电流型氧传感器易堵塞和易变形的缺点,具有稳定性好、灵敏度高、响应快、寿命长、成本低等优点,具有十分广阔的应用前景。  利用固相反应法分别制备了La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)固体电解质和La0.8Sr0.2(Ga0.8Mg0.2)1-xCrxO3-δ(LSGMCr)、La0.8Sr0.2(Ga0.8Mg0.2)1-xFexO3-δ(LSGMFe)、La0.8Sr0.2(Ga0.8Mg0.2)1-xCoxO3-δ(LSGMCo)、La0.8Sr0.2Ga1-xCoxO3-δ(LSGCo)(x=0.1~0.9)混合导体材料,并对其晶体结构、热膨胀性能、电导率、化学相容性和微观形貌等进行了分析。研究结果表明:(1)LSGM、LSGMCr、LSGMFe、LSGMCo和LSGCo均为钙钛矿型结构,随着x的增加,LSGMFe、LSGMCo和LSGCo的晶体结构发生转变;(2)LSGM在300~1000℃范围内的热膨胀系数为12.51×10-6K-1,LSGMCr(x=0.7)和LSGMFe(x=0.9)的热膨胀系数与LSGM接近,而LSGMCo和LSGCo的热膨胀系数与LSGM相差较大;(3)LSGMCr、LSGMFe、LSGMCo和LSGCo(x=0.1~0.9)的电导率均随着x的增加而增大,随着温度的升高,LSGMFe、LSGMCo和LSGCo的导电机制由半导体导电向金属导电转变。  选取热膨胀系数与LSGM相近的LSGMCr(x=0.7)和LSGMFe(x=0.9)作为扩散障碍层,分别利用瓷片复合法和共压共烧法制备了氧传感器。同时以LSGM固体电解质为基体,利用共渗法制备了氧传感器。研究了温度、氧含量和扩散障碍层厚度(L)对氧传感性能的影响规律。研究结果表明:(1)利用瓷片复合法和共压共烧法制备的以LSGMCr(x=0.7)和LSGMFe(x=0.9)作为扩散障碍层的氧传感器在较宽的氧含量和温度范围内具有良好的极限电流平台,极限电流(IL)-氧含量,logIL-1000/T(温度)均呈现良好的线性关系,IL随着L的增加而减小,极化电阻随着温度和氧含量的增加而减小。(2)利用共渗法制备的以LSGMCr和LSGMFe作为扩散障碍层的氧传感器在温度范围分别为700~850℃和800~850℃时,氧含量范围分别为0.4mol%~8.4mol%和0.1mol%~4.9mol%时具有良好的极限电流平台,IL-氧含量,logIL-1000/T均呈现良好的线性关系,极化电阻随着温度的增加而减小,利用共渗法制备的LSGMCr和LSGMFe扩散障碍层厚度分别约为50μm和40μm,与LSGM间的结合牢固。  分别以LSGMCo(x=0.9)、LSGCo(x=0.9)和LSGM作为扩散障碍层,利用瓷片复合法制备了极限电流型氧传感器,研究了温度、氧含量和L对氧传感性能的影响规律。研究结果表明:在较宽的氧含量和温度范围内氧传感器具有良好的极限电流平台,IL-氧含量,logIL-1000/T均呈现良好的线性关系,IL随着L的增加而减小。
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