[发明专利]具有高效三相界面的YSZ基混成电位型NO2传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种具有高效三相界面的基于多孔YSZ基板的混成电位型NO₂传感器及其制备方法，该传感器主要用于汽车尾气的检测。

背景技术

随着环境污染的日益严重，人类越发的关注污染源的预防及治理。汽车尾气是一项不可忽视的污染源，其大部分都是足以危害到人类健康的有害物质。为了将环境污染降到最低，各国更多的关注节能减排，制定严格的尾气排放标准，并对燃料进行了规定，减少含铅量，并增加对尾气检测的重视程度，积极推进安装尾气净化装置。

能源短缺最直接的后果就促使汽车企业要改善发动机，采用稀燃式发动机通过稀薄燃烧技术(LEAN)来实现传统燃油汽车的节能环保。技术的关键在于是通过增大空燃比和压缩比来提高燃烧效率。这种发动机因燃料的充分燃烧具有高比动力输出值、高燃料利用率、小的CO和HC排放量等优点。但排气中O₂浓度过高，反而使得尾气中HC和CO不能充分有效地利用来还原NO₂，使传统三元催化剂净化系统无法将之有效除去，造成尾气中大比例的NO₂的排放，对空气造成严重污染，危害人体健康。

因此，需要在原有的三元催化系统的后端增加NO₂吸储型催化剂(NSC)进行二次净化。而稀燃式发动机NO₂净化系统的构筑的关键技术所在是在NSC的前后设置NO₂传感器，用于控制发动机的燃烧状态和确定吸储型催化剂的再生时机。这种用途的传感器要求较高，除要求具有良好的灵敏度之外，还必须具备优良的耐高温抗腐蚀特性，及优良的气体选择。

而典型的固体电解质---稳定氧化锆(YSZ)和氧化物电极材料具有良好的热稳定性和化学稳定性，这就保证了其能适应汽车尾气的高温高湿的恶劣环境，因此由二者构成的NO₂传感器在汽车排气监控领域具有潜在的重要应用。

根据混成电位的理论，以YSZ为基板、以NiO为敏感材料的传感器可以看作如下两个的电化学电池：

在空气中：O₂,NiO/YSZ/Pt,O₂

在样品气体中：O₂+NO₂,NiO/YSZ/Pt,NO₂+O₂

当气氛中NO₂通过敏感电极层向三相反应界面扩散，在扩散过程中发生如下反应：

阴极：  (1-1)

阳极：  (1-2)

反应(1-1)(1-2)是对电化学氧化还原反应，构成局部电池，当两个反应的速率相同时，在敏感电极上的电位就称为混成电位，它与参考电极的电位差作为传感器的检测信号，信号的强弱主要受电极的电催化活性以及到达三相反应界面处的NO₂浓度影响。达到三相反应界面NO₂，同时发生电化学还原反应(1-1)和氧化反应(1-2)，两者达到平衡时形成混成电位。其大小主要由敏感电极材料，电化学反应的速率，NO₂浓度和O₂浓度来决定；而反应率取决于电极材料的分子组成，分子结构，微观结构以及三相反应界面的微结构。为了提高传感器的灵敏度，需要设计良好的三相界面以提高氧化还原过程的电化学反应速率。

故若想构筑高性能的混成电位型传感器，可从探索高性能敏感电极材料和设计高效的三相反应界面两个关键点入手。而考虑到关于三相界面研究的缺乏，本发明把精力更多的集中在三相反应界面的微结构上，设计具有三维结构的高效三相反应界面结构，从而大幅度提高混成电位型传感器的灵敏度。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高效三相界面的基于多孔YSZ基板的混成电位型NO₂传感器及其制备方法。

本发明独特的将刮涂技术与造孔技术结合，分别以PMMA、石墨或淀粉为造孔剂，造孔剂所占比例为YSZ粉体质量的5～15％。在YSZ基板上刮涂一层含有造孔剂成分的YSZ素坯，并在1450～1550℃下烧结，分解排除造孔剂并成型，形成表面多孔的YSZ基板，从而达到增加三相界面的目的，提高灵敏度。