[发明专利]基于YSZ和铌铁矿型MNb2O6敏感电极的混成电位型高温NO2传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及一种基于YSZ和铌铁矿型 MNb₂O₆(M:Co,Zn和Ni)敏感电极的混成电位型高温NO₂传感器及制备方法， 其主要用于汽车尾气的监测。

背景技术

随着汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放造成的环境污染和日益匮乏的资 源问题已经成为了汽车工业持续发展所面临的两个主要挑战。因此，为了应对挑 战，世界各国陆续提出了更严格的车辆排放标准来限制有毒有害尾气的排放。此 外，为了提高燃料的燃烧效率，减少二氧化碳的排放，在稀薄燃烧或直喷发动机 上安装NOx吸储型催化系统来弥补传统的三相催化系统的低NOx排除能力。然 而，当催化剂对NOx的吸储能力达到饱和时，需要将高浓度的碳氢化合物供给 催化剂来实现吸储能力的恢复。因此，低成本、高稳定、高强度和高敏感性能的 NOx传感器应该被安装在催化剂的前后两端来实时监测NOx的浓度，从而调整 催化剂的再生时机。由于车载尾气后处理系统常常处于高温高湿的恶劣工作状态 下，所以要求传感器应该能够承受高温高湿的环境。非常幸运的是，基于YSZ 和金属氧化物敏感电极的混成电位型气体传感器可以满足以上要求。

稳定氧化锆基混成电位型NO₂传感器的敏感机理是：气氛中NO₂通过敏感 电极层向三相反应界面扩散，在扩散过程中由于发生反应(1)，NO₂的浓度会逐 渐降低，氧化物敏感电极的多孔性会决定NO₂浓度的降低程度。在气体/敏感电 极/YSZ的三相界面处，同时发生NO₂的电化学还原反应和氧的电化学氧化反应， 反应(2)和(3)构成一个局部电池，当两者反应速率相等时，反应达到平衡， 在敏感电极上形成混成电位，它与参考电极的电位差作为传感器的检测信号。检 测信号大小由电化学反应(2)和(3)的速率来决定，而反应速率取决于敏感 电极材料的电化学和化学催化活性、电极材料微观结构(比如材料的多孔性、粒 度、形貌等)。

反应式如下：

NO₂→NO+1/2O₂(1)

NO₂+2e^-→NO+O^2-(2)

O^2-→1/2O₂+2e^-(3)

目前，为了制备更高敏感特性的传感器，国内外大多数研究者致力于敏感电 极材料的研究。例如，本课题组制作的以Cr₂O₃-WO₃为敏感电极材料的YSZ基混 成电位型NO₂传感器对100ppmNO₂的混成电位值为52mV(QuanDiao, ChengguoYin,YingweiLiu,JianguoLi,XunGong,XishuangLiang,ShiqiYang, HongChen,GeyuLu,Mixed-potential-typeNO₂sensorusingstabilized zirconiaandCr₂O₃-WO₃nanocomposites,SensorandActuatorsB180(2013) 90-95)。此NO₂传感器虽然具有可接受的敏感性能，但是继续开发可用于NO₂气体检测的高电化学催化活性的敏感电极材料仍然非常必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于YSZ和铌铁矿型MNb₂O₆(M:Co,Zn和Ni) 敏感电极的混成电位型高温NO₂传感器及其制备方法，以提高传感器灵敏度、 选择性、最低检测下限等性能，促进这种传感器在汽车尾气监测领域的实用化。 本发明所得到的传感器除了具有高灵敏度外，还具有较低的检测下限、很好的选 择性、耐湿性和稳定性。