[发明专利]具有纳米碗状阵列结构三相界面的YSZ基混成电位型NO2气体传感器及其制备方法

说明书

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及使用PS微球为模板经过含有锆、钇离子溶液浸渍、烧结后，在YSZ基板表面制备出纳米碗状阵列结构，并以其为基板制作成混成电位型NO₂气体传感器，该传感器主要用于汽车尾气的检测。依次由带有Pt加热电极的Al₂O₃陶瓷板、YSZ基板、Pt参考电极和敏感电极组成；YSZ基板的上表面为钇稳定氧化锆组成的纳米碗状阵列结构。本发明利用PS微球模板法制备构筑有纳米碗状阵列结构的YSZ基板为电解质，其表面的纳米碗状阵列结构提高待测气体与电解质的接触，增加反应活性位点，达到提高传感器灵敏度的目的,另外，由于纳米碗状阵列结构具有疏水特性，传感器的耐湿性有很大改善。如附图1所示。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，具体涉及使用PS微球为模板经过含有锆、钇离子溶液浸渍、烧结后，在YSZ基板表面制备出纳米碗状阵列结构，并以其为基板制作成混成电位型NO₂气体传感器，其主要用于汽车尾气的监测。

背景技术

随着世界经济的不断发展，汽车保有量的不断增加，由于汽车尾气的大量排放所造成的环境问题日益突出，严重威胁到人们的身体健康。为了防止环境进一步恶化，世界各国纷纷制定出更加严格的汽车尾气排放限制条件。为了提高燃料的燃烧效率，控制二氧化碳的排放，往往选择在稀薄燃烧或直喷发动机上安装 NO_x吸储型催化系统来弥补传统的三相催化系统的低NO_x排除能力。但是，当催化剂对NO_x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NO_x传感器被广泛应用于在催化剂的前后两端来实时监测NO_x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，所以要求传感器要具有能够承受高温高湿的环境的能力。以YSZ为基板制得的混成电位型NO₂气体传感器具有较好的化学稳定性和机械稳定性，在上述恶劣的条件下仍然可以正常工作。

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的过程中发生NO₂的催化反应(1)，NO₂的浓度降低。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。电化学反应(2)和(3)的速率决定混成电位型的电势差，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，提高YSZ基混成电位型NO₂气体传感器的方法主要有寻找新的高效的敏感电极材料和改变三相界面处的形貌。改变YSZ基板的表面形貌可以提高敏感电极材料与YSZ表面接触，形成高效的三相界面，进而达到增大响应值，提高传感器的检测性能的目的。目前尝试过如喷沙法，HF腐蚀法等许多方法来改变YSZ 基板的形貌，虽然能够提高对NO₂的响应值，但形成的表面形貌并不可控。因此本专利开发出一种在YSZ基表面构筑纳米碗状阵列结构的方法，可以大幅度增加反应的活性位点，提高器件的对NO₂的灵敏度，耐水性等性能，为此类传感器的应用奠定良好的基础。