一種雙固體電解質(zhì)CO*傳感器及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種新的雙固體電解質(zhì)ＣＯ↓［２］傳感器，屬于化學(xué)氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)將氧離子導(dǎo)電的摻雜氧化鋯固體電解質(zhì)和陽(yáng)離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)復(fù)合，并采用含該種陽(yáng)離子的碳酸鹽做輔助電極，組成片式或其它形狀的傳感器。陽(yáng)離子固體電解質(zhì)選用Ｎａβ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］時(shí)，可摻入鈉玻璃以降低其燒結(jié)溫度，并增大其中Ｎａ↓［２］Ｏ的活度。兩電極處于相同的氣氛中，無(wú)需參比電極。傳感器對(duì)氣相中ＣＯ↓［２］的敏感性優(yōu)良。采用經(jīng)不可逆熱力學(xué)修正的電動(dòng)勢(shì)公式可提高傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于化學(xué)氣體傳感器
，提供了一種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器，可以感知?dú)庀嘀蠧O2濃度，用于對(duì)氣相環(huán)境中的CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)和控制。
技術(shù)介紹
隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、和交通運(yùn)輸業(yè)的迅速發(fā)展，煤、石油等含碳燃料被大量使用，導(dǎo)致大氣中CO2含量增多，而CO2是引起“溫室效應(yīng)”的主要因素，因此，在燃料燃燒、汽車、空調(diào)、生物、醫(yī)療以及其它許多場(chǎng)合中都迫切要求對(duì)CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，CO2傳感器也就成為國(guó)內(nèi)外急需開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。雙固體電解質(zhì)CO2傳感器以其可靠性高、價(jià)格低廉、攜帶方便、靈敏度高等特點(diǎn)而備受關(guān)注。盡管已有很多關(guān)于雙固體電解質(zhì)傳感器的報(bào)道，但是，在雙固體電解質(zhì)傳感器的設(shè)計(jì)中仍然存在著一些基本理論問(wèn)題，例如在電池電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式中未包含兩種電解質(zhì)的接界電位等。可以說(shuō)這些問(wèn)題在所有的雙固體電解質(zhì)傳感器中都普遍存在。嚴(yán)格地講，如果這些問(wèn)題不能得以解決，那么雙固體電解質(zhì)傳感器的電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式在理論上是不嚴(yán)格的，應(yīng)用時(shí)是不準(zhǔn)確的。因此，有必要對(duì)雙固體電解質(zhì)傳感器的電池電動(dòng)勢(shì)表達(dá)公式進(jìn)行修正，使其能夠更準(zhǔn)確地測(cè)定氣體的濃度。在目前發(fā)表的文章和專利中，尚未見(jiàn)到與本專利技術(shù)相同的傳感器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器，并解決電池電動(dòng)勢(shì)(EMF)表達(dá)式中未包含兩種電解質(zhì)的接界電位等問(wèn)題，對(duì)該類型雙固體電解質(zhì)傳感器的電動(dòng)勢(shì)公式進(jìn)行不可逆熱力學(xué)修正，從而提高傳感器的測(cè)量精度；在Naβ-Al2O3中摻入鈉玻璃的方法，既可以降低Naβ-Al2O3的燒結(jié)溫度，從而降低傳感器的制作的難度，又可以提高Naβ-Al2O3中Na2O的活度，保證了傳感器的測(cè)量精度。本專利技術(shù)的傳感器由兩種固體電解質(zhì)材料復(fù)合組成，其中一種是氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)，如摻雜氧化鋯，另一種為陽(yáng)離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)，如Na+離子傳導(dǎo)的Naβ-Al2O3，制成片狀或圓柱形等多種外形，用含上述陽(yáng)離子的碳酸鹽做輔助電極，連同電極引線，便構(gòu)成這種新型雙固體電解質(zhì)CO2傳感器；在兩種固體電解質(zhì)都具有離子傳導(dǎo)能力的溫度下，傳感器產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)氣相中的CO2濃度存在單值函數(shù)關(guān)系，因而通過(guò)測(cè)定傳感器的電動(dòng)勢(shì)(EMF)即可得知?dú)庀嘀械腃O2濃度。本專利技術(shù)所述的兩種固體電解質(zhì)通過(guò)燒結(jié)或粘結(jié)進(jìn)行復(fù)合，碳酸鹽通過(guò)溶液蒸發(fā)干燥的方法涂覆在連接陽(yáng)離子固體電解質(zhì)的電極周圍。電極可以通過(guò)一多孔貴金屬層與固體電解質(zhì)相連。為降低Naβ-Al2O3的燒結(jié)溫度，并增大其中Na2O的活度，可在Naβ-Al2O3電解質(zhì)中摻入鈉玻璃。摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質(zhì)量比(0.5∶1～1∶1)進(jìn)行稱量，混勻，即得所需的Na+離子傳導(dǎo)Naβ-Al2O3電解質(zhì)粉體。傳感器的工作原理本專利技術(shù)之雙固體電解質(zhì)CO2傳感器可看作如下的雙電解質(zhì)電池CO2，O2，Pt|Na2CO3|Naβ″-Al2O3|MSZ|Pt，CO2，O2因?yàn)閮蓚€(gè)電極處于相同的氣氛中，O2的分壓相同，因此總的反應(yīng)方程式可表示為 根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得到上述電池的電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為E=-ΔG02F-RT2FlnaNa2OPCO2p0---(1)]]>經(jīng)不可逆熱力學(xué)修正后，電池電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為E=-ΔG02F-RT2FlnaNa2OPCO2P0+(1-tNa+)RT2FlnaNa2O+(tO2--tNa+)RT4FlnPO2′′PO2′(M)---(2)]]>這里，tNa+是Naβ″-Al2O3固體電解質(zhì)中的電子和鈉離子遷移數(shù)，tO2-是MSZ中氧離子遷移數(shù)，它們的其大小可利用Wagner直流極化法進(jìn)行測(cè)定；aNa2O是摻雜鈉玻璃的Naβ″-Al2O3中Na2O的活度；PO2″和PO2′分別是MSZ相左右邊界的氧分壓，ΔG0是上述反應(yīng)的Gibbs自由能，可通過(guò)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算得知。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于傳感器兩極處于相同的氣氛中，無(wú)需參比電極，因而可以制成片式或其它形狀；傳感器對(duì)CO2的敏感性優(yōu)良；采用經(jīng)不可逆熱力學(xué)修正的電動(dòng)勢(shì)公式大大提高了傳感器的測(cè)量精度。制備簡(jiǎn)單、工作可靠、使用方便。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)CO2傳感器的示意圖。圖2為本專利技術(shù)500℃時(shí)傳感器電動(dòng)勢(shì)與二氧化碳分壓的關(guān)系圖，其中，橫坐標(biāo)為傳感器輸出的電動(dòng)勢(shì)EMF值，縱坐標(biāo)為待測(cè)氣相環(huán)境中CO2分壓的對(duì)數(shù)。圖3為本專利技術(shù)傳感器電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系圖。其中，橫坐標(biāo)為傳感器輸出的電動(dòng)勢(shì)EMF值，縱坐標(biāo)為傳感器所處的溫度。具體實(shí)施例方式圖1～圖3為本專利技術(shù)的一種具體實(shí)施方式。實(shí)施結(jié)果圖1為本專利技術(shù)CO2傳感器的示意圖。在300～900℃溫度范圍，實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到摻雜鈉玻璃的Naβ″-Al2O3中Na2O的活度為L(zhǎng)ogaNa2O=-10098T-2.73---(3)]]>實(shí)驗(yàn)測(cè)定的傳感器電動(dòng)勢(shì)隨測(cè)試環(huán)境中CO2濃度以及溫度的變化如圖2和圖3所示。圖2為溫度保持在550℃時(shí)，在不同二氧化碳分壓下測(cè)得的傳感器電動(dòng)勢(shì)值。圖中實(shí)測(cè)電動(dòng)勢(shì)的斜率為35.21mV/ln(Pco2/P0)，求得電池的電子交換數(shù)n＝2.01，與理論值n＝2符合得很好。而且從圖2可以看到，實(shí)際測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)值與修正公式計(jì)算得到的電動(dòng)勢(shì)值符合得很好，誤差小于3mV；而與未經(jīng)修正公式的計(jì)算結(jié)果相差較大，近15mV。圖3給出了CO2濃度保持在50％時(shí)，在不同溫度下測(cè)定的傳感器電動(dòng)勢(shì)值。從圖3同樣可以看到測(cè)量值與修正后的電動(dòng)勢(shì)計(jì)算值符合得很好，而與未經(jīng)過(guò)修正的電動(dòng)勢(shì)計(jì)算值相比有較大的偏差。權(quán)利要求1.一種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器，其特征在于傳感器由兩種固體電解質(zhì)材料復(fù)合組成，其中一種是氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)，另一種為陽(yáng)離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)；所述的氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)為摻雜氧化鋯，所述的陽(yáng)離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)為Na+離子傳導(dǎo)的Naβ-Al2O3；制成片狀或圓柱形等多種外形；用含上述傳導(dǎo)陽(yáng)離子的碳酸鹽做輔助電極，連同電極引線便構(gòu)成這種雙固體電解質(zhì)CO2傳感器；在兩種固體電解質(zhì)都具有離子傳導(dǎo)能力的溫度下，傳感器產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)氣相中的CO2濃度存在單值函數(shù)關(guān)系，因而通過(guò)測(cè)定傳感器的電動(dòng)勢(shì)即可得知?dú)庀嘀械腃O2濃度。2.一種制備權(quán)利要求1所述的CO2傳感器的方法，其特征在于兩種固體電解質(zhì)通過(guò)燒結(jié)或粘結(jié)進(jìn)行復(fù)合，碳酸鹽通過(guò)飽和溶液蒸發(fā)干燥的方法涂覆在連接陽(yáng)離子固體電解質(zhì)的電極周圍；電極通過(guò)一多孔貴金屬層與固體電解質(zhì)相連。3.按照權(quán)利要求2所述的的方法，其特征在于為降低Naβ-Al2O3的燒結(jié)溫度，并增大其中Na2O的活度，在Naβ-Al2O3電解質(zhì)中摻入鈉玻璃，摻入的方法是將鈉玻璃粉和Naβ-Al2O3粉按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行稱量，混勻，便得所需的Naβ-Al2O3固體電解質(zhì)粉體。全文摘要本專利技術(shù)提供了一種新的雙固體電解質(zhì)CO文檔編號(hào)G01N27/28GK1746669SQ20051008642公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日專利技術(shù)者李福燊, 張艷紅, 王嶺, 李麗芬 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種雙固體電解質(zhì)ＣＯ↓［２］傳感器，其特征在于：傳感器由兩種固體電解質(zhì)材料復(fù)合組成，其中一種是氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)，另一種為陽(yáng)離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)；所述的氧離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)為摻雜氧化鋯，所述的陽(yáng)離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)為Ｎａ↑［＋］離子傳導(dǎo)的Ｎａβ－Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］；制成片狀或圓柱形等多種外形；用含上述傳導(dǎo)陽(yáng)離子的碳酸鹽做輔助電極，連同電極引線便構(gòu)成這種雙固體電解質(zhì)ＣＯ↓［２］傳感器；在兩種固體電解質(zhì)都具有離子傳導(dǎo)能力的溫度下，傳感器產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)氣相中的ＣＯ↓［２］濃度存在單值函數(shù)關(guān)系，因而通過(guò)測(cè)定傳感器的電動(dòng)勢(shì)即可得知?dú)庀嘀械模茫稀郏玻轁舛取?

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李福燊，張艷紅，王嶺，李麗芬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：11[中國(guó)|北京]