锆基电化学气敏传感器对低浓度一氧化氮响应特性的研究

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研究发现,呼出气中 NO(ppb级)气体的含量高低可以用来衡量哮喘患者病情的严重程度,而且研究证明了其为哮喘患者的唯一生物标记物。近年来,研发气敏传感器对人体呼出气中 NO含量进行非侵入式哮喘疾病监测已经成为现代科研和临床应用研究的热点。由于钇稳定氧化锆(Yttria-Stablilzed Zirconia,YSZ)固体电解质气敏传感器在诸多包括工业现场、室内外气体以及与人们生活健康息息相关领域的高效气体检测应用广泛。因此,应用 YSZ固体电解质电位/安培型气敏传感器来监测呼吸成分中低浓度 NO特性变化来诊断哮喘的方法越来越受到广泛的关注。本论文主要研究以 In2O3等金属氧化物为敏感电极材料的氧化锆 YSZ基片式结构安培型 NO传感器对低浓度 NO响应的特性,并尝试在敏感电极中掺入 Cr2O3制作混合敏感电极来提高传感器的响应性能。  研究以锆基安培型 NO传感器为研究对象,以 In2O3材料为敏感电极、Pt为参考电极的片式两电极结构安培型 NO传感器,对传感器进行了伏安特性曲线以及电流时间响应曲线等气敏响应特性测试以及交流阻抗谱测试。结果显示:伏安特性曲线表明电流幅值随着扫描电压的增加而逐渐增大,而且对不同浓度的NO气体I-V曲线不同。在400℃,5 vol.%O2以及偏置电压为-80mV下,测得响应最大值为-4.19nA,对传感器在-80mV偏置电压下的电流变化值进行线性拟合,其最大灵敏度为-4.19×10-3nA/ppb,阻抗谱显示 NO浓度增大,传感器在三项界面处的阻抗值减小,电化学反应强烈。  由于安培型结构传感器中,电极连接线路的不同,会导致传感器的响应性能不同。因此为了找出适合探测低浓度 NO气体的安培型传感器的最佳工作模式,在两电极结构安培型传感器研究的基础上,增加一个独立的对电极,构成具有敏感电极、参考电极和对电极的片式三电极结构安培型 NO传感器,并对其各项理化测试和气敏特性测试。结果显示:在350℃-500℃范围内,伏安特性曲线对于不同浓度的NO气体,呈现出不同的区分度。在偏置电压为-60mV下,电流时间曲线阶梯性良好,而且对不同浓度的NO气体电流输出值Δcurrent与NO浓度进行线性拟合,线性度良好,符合法拉第定律。传感器的最佳工作温度为400℃,在此温度下,电流输出响应值达到-9.46nA。信号的响应时间为18s,恢复时间为12s。连续12小时的稳定性测试发现短期稳定较好,长期稳定性需提升。CO2浓度大小不影响传感器的电流输出,但是 O2浓度大小影响较大,最佳测试环境中氧含量为5%。因此,三电极结构安培型传感器相较于两电极结构安培型传感器在低浓度 NO气体探测方面呈现出敏感性能更好,响应性能更高的特性,所以安培型气体传感器在探测低浓度 NO气体方面的最佳工作模式为三电极工作模式。  为了改善传感器的性能,在三电极工作模式研究的基础上,尝试在敏感电极材料 In2O3中掺入不同质量比的Cr2O3作为混合电极,并通过丝网印刷的方式制备了一系列三电极结构安培型 NO传感器,并对混合电极的物理特性以及敏感特性进行分析测试和研究。结果显示:在400℃时,各个传感器样品中,采用 Cr2O3掺杂比例为20%作为敏感电极的传感器样品具有更高的灵敏度和电流输出值。  除此之外,为了确保实验结果精密准确,在实验过程中参与、设计、搭建了实验室测试所用的动态配气系统,实现了由虚拟仪器 Labview组成的自动配气系统能够和电化学分析仪组合使用,测试精度高、气体控制性好,系统运行稳定可靠,提高了实验的准确性和实验效率。
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