[发明专利]基于YSZ和CoTiO3

说明书

本发明公开了一种基于YSZ和CoTiO3敏感电极的混成电位型高温NO2传感器、制备方法及其在汽车尾气监测中的应用；传感器依次由带有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；参考电极和敏感电极彼此分立且对称地制备在YSZ基板上表面的两端，YSZ基板下表面与带有Pt加热电极的Al2O3陶瓷板粘结在一起；敏感电极的材料为CoTiO3。本发明以YSZ作为离子导电层，利用具有高电化学催化活性的CoTiO3复合氧化物材料为敏感电极，构建对NO2具有良好传感特性的YSZ基混成电位型高温NO2气体传感器。

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种NO₂传感器。

背景技术

近十年来，随着世界各国汽车工业燃烧炉的不断进步和实施，对各种危害健康和大气污染气体的排放产生了巨大的影响。二氧化氮(NO₂)是汽车燃烧过程中产生的有害污染物之一，不仅直接造成臭氧层空洞、损害人体的健康，也会产生酸雨、光化学烟雾、温室效应等环境灾难。研制高性能、可靠的NO₂传感器用于监测和控制NO₂是迫切的需要。此外，由于汽车发动机尾气排放处于典型的长期高温、高湿和多种气体共存环境，传感器需要在上述苛刻条件下工作，不仅要求传感器要有良好的敏感特性（灵敏度、选择性和响应/恢复特性），还要求在使用环境下具有良好的稳定性。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 + 1/2 O₂ （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100ppm NO₂ 的混成电位值为 52mV（Quan Diao, Chengguo Yin, Yingwei Liu, JianguoLi, Xun Gong, Xishuang Liang, Shiqi Yang, Hong Chen, Geyu Lu, Mixed-potential-type NO₂ sensor using stabilized zirconia and Cr₂O₃-WO₃nanocomposites, Sensor and Actuators B 180 (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