NO和NO2统称为NOx会引起光化学烟雾，酸雨以及许多对人体健康有害的问题，已经成为了非常严重的大气污染物。大多数的NOx来自于汽车尾气，锅炉和一些其它的燃烧过程，因此可以连续监测NOx气体的高性能传感器受到各国科学工作者的关注。在这些传感器中，以氧化锆为电解质，金属氧化物为敏感电极和铂为参比电极的混合电势型传感器以其小型化、操作简单及成本低的优点引起了大家的关注。目前，对于这类传感器的研究主要集中在寻找合适的敏感电极材料上。近年来，由于电势型NOx传感器的主要响应信号来源于发生在气体、电解质氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）和敏感电极氧化物之间三相界面（TPB）上的电极反应，三相界面也逐渐引起了研究者的关注。
本研究通过直接向选择性较好的La2CuO4敏感电极材料和新的La1.67Sr0.33NiO4敏感电极材料中添加YSZ的方法，增加三相界面的数量，提高传感器的性能。本研究还采用微波辅助胶体自燃烧法制备了不同YSZ添加量的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ复合粉末，希望通过这种方法使YSZ均匀地分布在敏感电极中，从而得到较多的三相界面，提高传感器的性能。主要研究结论如下：
采用微波辅助胶体自燃烧法制备不同YSZ添加量的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ复合粉末过程中，当YSZ添加量为0时，800℃煅烧2h可以得到较纯的La1.67Sr0.33NiO4，且其粒径约为40nm；随着YSZ添加量的增加，La1.67Sr0.33NiO4和YSZ两种材料逐渐结合形成多孔网状结构，这种结构可以有效地增加三相界面的数量；当YSZ添加量超过25wt％时，La1.67Sr0.33NiO4和YSZ会形成绝缘烧绿石相La2Zr2O7。另外，煅烧温度也和最终产物存在一定的关系。
随着烧结温度的提高，纯的La2CuO4敏感电极表面颗粒明显变大，孔径变大，孔的数量变少；900℃烧结得到的敏感电极表面具有较好的三维网络结构，三相界面数量多，但是YSZ添加量多达10vol.％时，电极表面连续相反而较少，三相界面也随之减少；烧结温度为1000℃和1100℃时，添加YSZ后的La2CuO4/YSZ敏感电极表面会出现小颗粒，且随着YSZ添加量的增加，小颗粒数量增多，团聚现象越明显，三相界面数量也随之变少。
溶胶-凝胶法得到的La1.67Sr0.33NiO4制备的敏感电极表面为多孔结构，平均粒径约为85nm。向该法得到的La1.67Sr0.33NiO4粉末中直接添加YSZ后，电极表面出现主要成分为YSZ的小颗粒。微波辅助胶体自燃烧法制备的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ复合粉末敏感电极中：随着烧结温度的升高，10wt％YSZ-La1.67Sr0.33NiO4敏感电极的颗粒粒径明显长大，三相界面数量变少；随着YSZ添加量的增加，La1.67Sr0.33NiO4/YSZ敏感电极表面块状结构增多，孔隙率下降，三相界面数量也减少。
对La2CuO4/YSZ敏感电极传感器进行性能研究，主要包括传感器的敏感性、选择性、可重复性和阻抗谱研究。经900℃烧结2h后，得到的5vol.％YSZ-La2CuO4敏感电极传感器对NOx最敏感，在测试温度为400℃时，其对700ppm NO和NO2响应信号值分别为52mV和-98mV，而10vol.％YSZ-La2CuO4敏感电极传感器对NOx响应信号最小，其对700ppm NO和NO2响应信号值分别为22.2mV和-50mV；不同YSZ添加量的La2CuO4/YSZ敏感电极传感器的响应信号值均与NOx浓度对数具有较好的线性关系。随着测试温度的升高，传感器响应信号绝对值均变小，响应均变快。传感器的这些敏感行为与其敏感电极表面形貌息息相关；测试温度为400℃，发现四种传感器均对NO和NO2具有较大响应，而对O2和CO2没有响应。另外，不同的YSZ添加量对各自对应传感器的性能影响总体趋势一致，即传感器对NO的响应都会在一定程度上受到CO2，CO和NO2的影响，几乎不会受到O2的影响；不同YSZ添加量的传感器均对NOx具有较好的可重复性；阻抗谱图分析结果表明，La2CuO4/YSZ传感器阻抗在NO和NO2中均变小，且在NO2中变化比在NO中的大，与电势响应结果中NO2响应信号绝对值大一致。另外，还发现通过增加三相界面数量的方法来提高传感器性能的方法是简单可行的。
对La1.67Sr0.33NiO4/YSZ敏感电极传感器进行性能研究，主要包括传感器的敏感性、可重复性、阻抗谱和NO程序升温脱附法（TPD）研究。微波辅助胶体自燃烧法得到的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ复合粉末制备的敏感电极的三相界面有效数量比直接向La1.67Sr0.33NiO4中添加YSZ的大，故其相应的传感器性能更好。详细地研究了微波辅助胶体自燃烧法得到的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ复合粉末制备的敏感电极传感器的性能，发现经1000℃烧结2h后，得到的10wt％YSZ-La1.67Sr0.33NiO4传感器对NOx最敏感，测试温度为400℃时，其对700ppm NO和NO2响应信号值分别为27mV和-50mV，而20wt％YSZ-La1.67Sr0.33NiO4传感器对NOx响应信号最小，其对700ppm NO和NO2响应信号值分别为16.5mV和-32mV；随着测试温度的升高，不同YSZ添加量的La1.67Sr0.33NiO4/YSZ电极材料响应信号绝对值均变小，响应均变快。传感器的这些敏感行为与其敏感电极表面形貌息息相关；不同YSZ添加量的传感器均对NOx具有较好的可重复性；阻抗谱图分析结果表明，通过增加三相界面数量来提高传感器性能的方法是简单可行的；NO-TPD研究结果表明，10wt％YSZ-La1.67Sr0.33NiO4敏感电极传感器的性能与NO在其上面的吸附和解吸有关。
- 作 者：
- 陈莹
- 学科专业：
- 纳米科学与技术
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 华中科技大学
- 导师姓名：
- 肖建中
- 学位年度：
- 2014
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
