固体电解质型氮氧化物气体传感器是稀燃发动机和高温燃烧设备控制氮氧化物排放必不可少的部件。片式混合电位型氮氧化物传感器因其特有的优点成为当前热门的研究对象。此类传感器在工作时敏感电极与参考电极同时与被测气氛接触，参考电极对目标气体的响应不可忽视。本论文从氮氧化物传感器的电极研究入手，通过测试与研究逐步介绍了一种电极支撑型氮氧化物传感器的发明过程，消除了传统铂参考电极对目标气体的响应并对新型结构的氮氧化物传感器进行了敏感性能的优化与工作机理的研究。
论文首先使用流延法和丝网印刷制备了8YSZ固体电解质和Pt电极并测试电极对氮氧化物的敏感特性，证明了铂电极对氮氧化物具有较高的响应水平。在实验中当锆与铂的原子摩尔比为1：1时获得最大响应电压，响应电压值可以达到140mV。纯铂电极对氮氧化物具有最小的响应电压水平，并且随着铂电极厚度的增加响应电压下降。
为了消除参考电极对目标气体的响应，发明了一种以多孔 LSM95支撑体为参考电极的电极支撑型氮氧化物传感器。通过研究 LSM95和8YSZ的流延共烧工艺制备了以Pt为敏感电极，厚 LSM95支撑层为参考电极的氮氧化物传感器。该传感器的敏感电极厚度在5微米左右，电解质厚度为20～100微米，参考电极层厚约541微米。通过研究使用 Pt为敏感电极的电极支撑型氮氧化物传感器，发现传感器对二氧化氮具有一定的响应水平，最高响应电压差约为54mV，但该传感器对二氧化氮的响应电压容易受一氧化碳和氧气的干扰。使用多孔 LSM95为敏感电极的同时使用多孔 LSM95支撑层为参考电极，传感器对二氧化氮的最高响应电压约为80mV，响应水平有显著的提高。最后通过改变烧结温度对传感器的性能进行了优化，测试时最大响应电压可以达到71.46mV，并且响应电压与二氧化氮浓度（40～1000ppm）指数之间具有较好线性关系（线性度≥0.985）发现传感器在1225oC烧结时具有最好的气敏特性。使用多种测试手段对1225oC烧结的传感器进行了抗干扰性，稳定性的研究，发现传感器对尾气中的主要成分（水蒸汽、氧气和二氧化碳）都具有较强的抗干扰能力。该传感器在110小时的稳定性测试过程中，传感器在开始测试的20小时响应电压差衰减了3.8％，而在整个测试过程中传感器的响应电压差仅有5.7%的衰减。通过对传感器的机理研究发现该类传感器属于混合电位型传感器，使用交流阻抗测试发现电极与固体电解质的界面以及电极的孔结构对传感器的性能具有重要影响。
本论文的主要工作是发明了一种电极支撑型氮氧化物传感器，对其进行了优化及工作原理的研究。新结构传感器的工作原理是利用固体电解质两侧电极在厚度上的巨大差异，使得被测气体在从电极表面到三相界面的扩散路径长度不同，继而使得目标气体在扩散过程中被气相催化分解的程度不一致，最后真正到达三相界面处的被测气体浓度不同。虽然，被测气体在两侧电极的三相界面处同时发生混合电位反应，但因被测气体在两侧三相界面处浓度的不同使得二个电极的电势不同，因而产生了响应电压。电极支撑型传感器的新结构为其他种类电化学气体传感器的研究与开发提供了参考和实验依据。
- 作 者：
- 邹杰
- 学科专业：
- 通信与信息工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 宁波大学
- 导师姓名：
- 占忠亮简家文
- 学位年度：
- 2015
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
