固体电解质电位型甲烷传感器的研制

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甲烷是一种重要的温室气体,它在大气中含量虽少,但增长速度很快,已成为仅次于CO2的温室气体,其温室效应的平均质量效率是CO2的28倍,它的增温潜势为0.5±0.05Wm-2,2010年它对全球气候变暖效应占非CO2气体的28%,如果任其发展下去,将会对地球生态环境带来前所未有的灾难。同时,甲烷也是一种极其重要的能源气。它是天然气气体成分中的主要能源气(约占88%),海底中埋藏的天然气水合物(甲烷约占99%)中包含的天然气资源量为全球常规天然气资源量的几十倍,随着中国经济呈现高速、井喷式增长,常规能源的勘探开发以及新能源的勘探将成为中国迫在眉睫的重要任务;而且煤炭产业占据中国能源消费结构66%的份额,随着煤炭产业规模扩大,煤矿事故(瓦斯爆炸)频发,作为预警瓦斯爆炸最主要的甲烷气体浓度的检测也将发挥越来越大的作用。因此研制高精度、原位检测甲烷浓度的传感器对于温室效应治理和常规天然气的勘探、开采、运输过程以及天然气水合物等新能源的勘探具有重要的意义。  由于目标环境相对复杂(多水汽、CO2等杂气),通过对比各种不同类型的甲烷气体传感器后发现,其他类型甲烷传感器都有一定的应用限制,而固体电位型甲烷传感器能很好的适应此类环境,因此本文选用固体电解质混合电位型甲烷传感器开展实验研究。  通过对比用流延法、注浆成型法和压片法三种不同制作方式制成的YSZ陶瓷片的SEM图片后发现,用压片法制得的YSZ基片在特定温度程序下烧结后表面气孔丰富,是比较理想的制作方式。  结合文献创造性的制作出一种新型的管式传感器,与平板式传感器的气敏性能进行对比发现,管式传感器的检测基线和输出电势均较稳定,但现阶段研制出的管式传感器其响应值略低于平板式传感器,且结构相对复杂,传感器容易损坏,不利于重复试验。  通过对三种氧化物做工作电极的传感进行气敏测试,对以SnO2为工作电极的甲烷传感器进行阻抗谱实验和极化曲线实验,发现以氧化物为工作电极的传感器符合混合电位机理,通过对比发现以In2O3为工作电极的甲烷传感器具有优良的传感性能,且在6%水汽环境下性能依旧优越,符合现实所需。以贵金属为工作电极的甲烷传感器性能稳定,且在水热环境下依然具有卓越的传感性能。
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