论文部分内容阅读
对化石燃料的燃烧过程、废气排放过程和烟气处理过程中的气体浓度在线监测,是提高能源效率和减少有害气体排放的关键,这就要求气体传感器能够在温度高、压力大、环境恶劣、排气速度快等恶劣的环境中工作。固体电解质基气体传感器具有高灵敏度,易小型化,稳定性好,测量范围宽等优点,是适用于高温恶劣环境中最有发展前景的传感器类型。围绕适用于高温气体传感器的固体电解质,设计、制备了新型氧离子导体和质子导体材料。以相应氧化物为原料,采用高温固相合成法制备了Si位Mg、Al、W、In、Cr掺杂的磷灰石La10（SiO4）6O3氧离子导体,结果表明,800℃时La10Si5CrO26.65的电导率1.27×10-2 S·cm-1,活化能最小。通过容忍因子和能带结构模拟计算,选择了Hf作为掺杂元素,采用双烧结助剂法制备了BaZr0.6Hf0.2Y0.2O3-δ（BZHY）,改善了烧结性能,提高了电导率。添加4 mol%的Li:Zn=1:1的双烧结助剂,1400°C烧结8 h的Ba Zr0.6Hf0.2Y0.2O3-δ的质子导体,相对密度达到95.64%,晶界电阻明显减小,700°C时电导率达到8.84′10-3 S·cm-1。通过高效的三相反应界面设计,显著提升了传感器的气敏特性、重现性、稳定性和抗干扰性能。分别以氧离子导体LSCO、YSZ和质子导体BZHY为固体电解质,采用丝网印刷技术构建了致密层/多孔层的双层结构电解质,通过浆液组成配制,印刷层数控制,烧结制度的改变可获得膜厚度、孔径和孔隙率可调控的多孔层。采用了三种方法制备敏感电极构建传感器:一是在多孔层上通过丝网印刷法构建电解质多孔层-厚膜型气体传感器。CuCr2O4-Cu O为敏感材料,制得混合电位型NO2传感器,在600～700℃、NO2浓度在25～300 ppm范围内,响应信号值与NO2浓度之间呈良好线性关系,600℃时具有最好的敏感性、重现性和稳定性;极化曲线和交流阻抗结果进一步表明该传感器为混合位型。二是通过在多孔层内化学浸渍敏感材料,构筑电解质多孔层-纳米敏感材料气体传感器;分别以Cr2O3、LaCrO3、La0.8Sr0.2Fe0.8Cu0.2O3-δ（LSFC）敏感材料制备出电流型NO2传感器,LSFC传感器的响应电流最大,绝对值达到m A级,800℃下NO2浓度范围内10～200 ppm灵敏度达到6.08μA/ppm;但是H2对LSFC传感器的干扰较大,偏移量为6.69%。以钙钛矿型复合氧化物La0.85Sr0.15MnO3（LSMO）敏感电极制备出极限电流型O2传感器;所制的系列高温气体传感器的响应信号值与待测气体浓度之间在0～10000 ppm范围内呈良好的线性关系,相关系数0.99以上,浸渍量为60μL时1250℃处理得到传感器性能最佳,极化电压800 m V时,750℃时灵敏度达到了2.6×10-3 m A·ppm-1。以质子导体BZHY为固体电解质和ZnO敏感电极制备出混合电位型氢气传感器,适用于超低浓度,H2浓度范围为1～15 ppm时,灵敏度随着工作温度的升高而增加,450°C灵敏度为27.0 m V/dec.。三是在多孔层内负载敏感材料前体,电化学脱溶法获得纳米金属颗粒复合敏感材料,强化表面催化活性,以进一步提高传感器的气敏性能。在多孔层内浸渍AgNb O3（ANO）后,电化学脱溶形成Ag/ANO,制得混合电位型NH3传感器。电脱溶条件为外加电压2 V,400℃处理200 s,在ANO基底上获得粒径约15 nm的Ag颗粒,400℃时,NH3浓度10～400 ppm范围内灵敏度达到-80.2 m V/dec.,对NO2抗干扰性能良好。通过多类传感器的基本响应数据为基础,综合运用电化学阻抗谱和电化学阻抗谱差异化分析-弛豫时间分布法（DRT法）、动力学方程拟合、特征参数提取和相空间全参数分析法等,系统研究NO2、O2、NH3和H2等传感器的响应过程和响应机理,提出高温NO2气体传感器响应模式和动力学模型,在O2、NH3和H2传感器的研究中进行验证,结果表明这种方法有一定的普适性。图119幅;表21个;参201篇。