一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器及其制備方法，包括由鈦酸鉍鈉Na0.5+xBi0.5TiO3材料制得的致密陶瓷片NBT固體電解質基層、分別燒結在NBT固體電解質基層兩側的多孔CuO正電極及Pt負電極；所述多孔CuO正電極和Pt負電極上均涂覆有少量鉑漿層并引出Pt絲用于連接電源正負極。本發明專利技術材料成本較低、制備工藝簡單、性能穩定、工作溫度較低。

Perovskite solid electrolyte current type NO2 sensor and preparation method thereof

The invention relates to a solid electrolyte current perovskite type NO2 sensor and a preparation method thereof, comprising sodium bismuth titanate Na0.5+xBi0.5TiO3 materials prepared by NBT solid electrolyte dense ceramic base, respectively in sintering of porous CuO NBT solid electrolyte base on both sides of the positive electrode and the negative electrode Pt; the porous CuO positive electrode and negative electrode on Pt are coated with a small amount of platinum coated wire is used to connect the Pt and leads the power is negative. The invention has the advantages of low material cost, simple preparation process, stable performance and low working temperature.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及NO2傳感器制備領域，特別是一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器及其制備方法。
技術介紹
隨著汽車尾氣排放標準要求的日漸嚴格，控制汽車尾氣中氮氧化物等有毒氣體的排放迫在眉睫。目前常用的NOx氮氧化物傳感器主要有半導體氧化物式、固體電解質式、光纖式、二極管式等。研究表明基于固體電解質的NOx傳感器具有良好的化學和機械穩定性，能夠適應汽車尾氣較為嚴苛的熱力和機械強度要求，且具有廣泛的應用領域以及較好的精度、抗干擾特性等優點。氧化釔穩定氧化鋯簡稱YSZ，是當前汽車尾氣氮氧化物傳感器使用較為成熟廣泛的固體電解質材料，已被用于制作氮氧化物傳感器等多種器件。然而YSZ材料要在相當高的溫度下才具有較高的氧離子導電率，溫度低于800℃時，YSZ電阻會急劇的增大。這種高溫運行條件帶來傳感器件使用成本較高，壽命和可靠性變差。因此，需要尋找一種在中低溫條件下可使用的氧離子導體材料用于汽車尾氣傳感器。鈣鈦礦型材料是離子導電率較高的一類固體電解質材料。鈣鈦礦的結構通式為ABO3，由于A位和B位的離子能夠被不同半徑及電價的離子在較寬濃度范圍內取代，形成一種或數種元素摻雜的固溶體，可產生大量的氧空位，改善材料的氧離子導電性。鈦酸鉍鈉是一種在A位有兩種元素的鈣鈦礦型氧化物。有研究稱對鈦酸鉍鈉適當摻雜能夠顯著改善導電性，中溫下的導電率較YSZ高。目前為止，鈦酸鉍鈉還未見用于NOx傳感器，而通過導電性的預測，這種固體電解質在NOx傳感器應用方面具有較大潛力。傳統合成鈦酸鉍鈉材料的方法有固相法、水熱法和溶膠凝膠法等。檸檬酸絡合法是溶膠凝膠法的一種，利用檸檬酸的螯合作用螯合金屬離子，反應溫度低及反應易控制，制備的粉體具有產物粒徑小、均勻性好、純度高等優點。一般檸檬酸絡合法合成鈦酸鉍鈉時需使用乙二醇、乙酰丙酮、乙二酸等毒性刺激性較大的有機溶劑作為穩定劑且用量較大，有時還需要萃取蒸餾等步驟，合成步驟復雜且對環境不友好。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的是提出一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器及其制備方法，材料成本較低、制備工藝簡單、性能穩定、工作溫度較低。本專利技術采用以下方案實現：一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，包括由鈦酸鉍鈉Na0.5+xBi0.5TiO3材料制得的致密陶瓷片NBT固體電解質基層、分別燒結在NBT固體電解質基層兩側的多孔CuO正電極及Pt負電極；所述多孔CuO正電極和Pt負電極上均涂覆有少量鉑漿層并引出Pt絲用于連接電源正負極。進一步地，所述NBT固體電解質基層的厚度為1mm-6mm，直徑為6-20mm。進一步地，所述多孔CuO正電極為含有松油醇、乙基纖維素和碳粉的CuO電極漿料制作而成。進一步地，所述Pt負電極為含有松油醇和乙基纖維素的Pt電極漿料制作而成。進一步地，所述多孔CuO正電極為敏感電極，所述Pt負電極為參比電極，所述敏感電極與所述參比電極的厚度均為60-140um。進一步地，所述Na0.5+xBi0.5TiO3材料中x的取值范圍為0≤x≤0.15。進一步地，所述x的取值范圍為0≤x≤0.08。本專利技術還提供了一種如上文所述的鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器的制備方法，包括以下步驟：步驟S1：使用粉末壓片機將NBT粉末壓成直徑為8mm，厚度2-3mm的圓片；步驟S2：使用等靜壓機在280-300MPa壓力下給步驟S1中得到的圓片進行二次加壓，使之更加致密，得到電解質基片；步驟S3:將電解質基片在1150℃左右熱處理2h得到致密電解質基片；步驟S4：在步驟S3得到的致密電解質基片一側涂含有碳粉、松油醇和乙基纖維素等的CuO敏感電極漿料，在800℃溫度下熱處理3h在致密電解質基片的一側得到多孔CuO敏感電極；步驟S5：在步驟S3得到的致密電解質基片的另一側涂覆含松油醇、乙基纖維素的Pt參比電極漿料，在800℃溫度下熱處理10min得到另一側的Pt參比電極；步驟S6：使用上述Pt漿料將兩根適當長度的Pt絲分別連接到電解質基片的敏感電極側和參比電極側，并在800℃熱處理10min得到NBT傳感器成品。進一步地，所述NBT粉末的制備方法具體包括以下步驟：步驟S11：按化學計量比稱取硝酸鈉、硝酸鉍、鈦酸四丁酯、檸檬酸，配制濃度為10-15%的稀硝酸；步驟S12：將硝酸鈉加入適量蒸餾水中溶解，將硝酸鉍加入適量稀硝酸溶解，向鈦酸四丁酯中加入適量乙醇獲得鈦酸四丁酯的乙醇溶液，將三種鹽溶液混合得到澄清混合鹽溶液；步驟S13：將檸檬酸加入到盛有適量蒸餾水的燒杯中，加入磁子，在60-80℃溫度下磁力攪拌0.5h；步驟S14:向檸檬酸水溶液中加入氨水調節pH值為7-9，接著將混合鹽溶液緩慢加入到檸檬酸水溶液中，在80℃溫度下磁力攪拌10h左右得到粘稠溶膠；步驟S15：將裝有溶膠的燒杯轉移到烘箱中，150℃處理24h得到黑色鼓泡狀干凝膠；步驟S16：將干凝膠壓碎，于270℃處理10h得到棕色粉末；步驟S17：將棕色粉末置于坩堝中，在700℃熱處理2h得到淡黃色NBT粉末。進一步地，所述CuO敏感電極材料氧化銅粉末的制備方法包括以下步驟：步驟S21：按化學計量比稱取硝酸銅與檸檬酸；步驟S22：將硝酸銅溶于適當乙醇中在40℃攪拌1h左右；步驟S23：將檸檬酸加入硝酸銅的乙醇溶液中，在60℃攪拌5h左右得到粘稠溶膠；步驟S24：將溶膠置于烘箱中，150℃熱處理10h，得到藍綠色起泡干凝膠；步驟S25：將凝膠壓碎，置于坩堝中，在500℃熱處理3h得到黑色CuO粉末。與現有技術相比，本專利技術有以下有益效果：本專利技術使用的NBT基NO2傳感器對100ppm-500ppm的NO2氣體相應較迅速，500℃時Na0.51Bi0.5TiO3響應時間在10s之內。相較于YSZ基NO2傳感器只能在大于800℃溫度工作,本專利技術傳感器的工作溫度在400℃-650℃范圍內，有助于減少傳感器及相關器件在高溫下的老化。本專利技術制造工藝簡單，性能穩定，工作溫度較低，具有檢測精度較高，響應時間短的特點。可用于汽車尾氣、工廠尾氣等領域的NO2監測。附圖說明圖1為本專利技術的實施例的NO2傳感器結構原理示意圖。圖2為本專利技術的實施例的NO2傳感器在500℃溫度下響應電流值與脈沖NO2濃度的關系曲線圖。圖3為本專利技術的實施例的NO2傳感器在500℃溫度下、脈沖NO2濃度為500ppm時響應關系曲線圖。圖4為本專利技術的實施例的NO2傳感器所用基體材料鈦酸鉍鈉(NBT)粉末的X射線粉末衍射(XRD)圖。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本專利技術做進一步說明。如圖1所示，本實施例提供了一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，包括由鈦酸鉍鈉Na0.5+xBi0.5TiO3材料制得的致密陶瓷片NBT固體電解質基層、分別燒結在NBT固體電解質基層兩側的多孔CuO正電極及Pt負電極；所述多孔CuO正電極和Pt負電極上均涂覆有少量鉑漿層并引出Pt絲用于連接電源正負極。在本實施例中，所述NBT固體電解質基層的厚度為1mm-6mm，直徑為6-20mm。在本實施例中，所述多孔CuO正電極為含有松油醇、乙基纖維素和碳粉的CuO電極漿料制作而成。在本實施例中，所述Pt負電極為含有松油醇和乙基纖維素的Pt電極漿料制作而成。在本實施例中，所述多孔CuO正電極為敏感電極，所述Pt負電極為參比電極，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：包括由鈦酸鉍鈉Na0.5+xBi0.5TiO3材料制得的致密陶瓷片NBT固體電解質基層、分別燒結在NBT固體電解質基層兩側的多孔CuO正電極及Pt負電極；所述多孔CuO正電極和Pt負電極上均涂覆有少量鉑漿層并引出Pt絲用于連接電源正負極。

【技術特征摘要】
1.一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：包括由鈦酸鉍鈉Na0.5+xBi0.5TiO3材料制得的致密陶瓷片NBT固體電解質基層、分別燒結在NBT固體電解質基層兩側的多孔CuO正電極及Pt負電極；所述多孔CuO正電極和Pt負電極上均涂覆有少量鉑漿層并引出Pt絲用于連接電源正負極。2.根據權利要求1所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：所述NBT固體電解質基層的厚度為1mm-6mm，直徑為6-20mm。3.根據權利要求1所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：所述多孔CuO正電極為含有松油醇、乙基纖維素和碳粉的CuO電極漿料制作而成。4.根據權利要求1所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：所述Pt負電極為含有松油醇和乙基纖維素的Pt電極漿料制作而成。5.根據權利要求1所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：所述多孔CuO正電極為敏感電極，所述Pt負電極為參比電極，所述敏感電極與所述參比電極的厚度均為60-140um。6.根據權利要求1所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于：所述Na0.5+xBi0.5TiO3材料中x的取值范圍為0≤x≤0.15。7.根據權利要求6所述的一種鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器，其特征在于:所述x的取值范圍為0≤x≤0.08。8.一種如權利要求1所述的鈣鈦礦固體電解質電流型NO2傳感器的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟S1：使用粉末壓片機將NBT粉末壓成直徑為8mm，厚度2-3mm的圓片；步驟S2：使用等靜壓機在280-300MPa壓力下給步驟S1中得到的圓片進行二次加壓，使之更加致密，得到電解質基片；步驟S3:將電解質基片在1150℃左右熱處理2h得到致密電解質基片；步驟S4：在步驟S3得到的致密電解質基片一側涂含有碳粉、松油醇和乙基纖維素等的CuO敏感電極漿料，在800℃溫度下熱處理...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肖益鴻，張楚璠，鐘富蘭，蔡國輝，鄭勇，
申請(專利權)人：福州大學，
類型：發明
國別省市：福建;35