NASICON基高性能固体电解质型气体传感器研究

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NASICON基固体电解质传感器以其灵敏度高、选择性好、响应恢复速度快和长期稳定性好等优点得到广泛关注。按照敏感机理的不同,NASICON基固体电解质传感器可以分为电流型、平衡电位型和混成电位型。典型的NASICON基固体电解质传感器有平衡电位型CO2传感器、电流型NO2传感器、混成电位型NH3、H2、Cl2、SO2传感器等。本文围绕NASICON粉体材料和基板制备、NASICON基气体传感器制作、测试等方面展开具体实验。1.采用高温固相法和溶胶凝胶法两种方法制备NASICON粉体材料,对制备材料进行XRD表征,研究了不同原材料对高温固相法制备粉体材料的影响和煅烧温度对溶胶凝胶法制备粉体材料的影响,从而得到制备高性能NASICON粉体材料的方法。2.采用干压成型法制备NASICON陶瓷基板,研究了电极材料对电流型NO2传感器型能的影响。其中利用掺杂5wt%NiO的NaNO2作为对电极材料时,150℃下器件灵敏度与NO2浓度在10ppb-100ppb间呈线性,对10ppbNO2灵敏度约200nA,器件的NO2测试下限低到sub-ppb量级。3.开发一种管式NASICON基混成电位型H2传感器,结合两种方法来提高器件灵敏度。一是在金参考电极外包覆LaCrO3催化层来消耗H2,二是在金敏感电极外包覆一层NASICON作为气体扩散层,通过限制O2的扩散使得敏感电极变得更灵敏。对柠檬酸法制备的LaCrO3分别进行XRD和H2-TPR表征。研究LaCrO3催化层、覆盖NASICON层厚度和O2浓度对器件灵敏度的影响。在400℃下,结合0.3mm NASICON层和LaCrO3催化层的传感器对100-5000ppm H2的灵敏度最大,器件灵敏度与H2浓度对数值成比例,斜率为123mV/decade。器件最佳工作温度为400℃,对100ppm H2和5000ppm H2的响应时间分别为35和25秒,对应的恢复时间分别为50和75秒。器件重复性好,经多次测试后,灵敏度收缩幅度为0.6%到3.6%。器件选择性好,基本对CO、NO2、NH3、C7H8、C2H4、CH2O、C3H6O和CH4等干扰气体不敏感。4.采用非水基流延法制备NASICON薄陶瓷基板。对陶瓷基板的密度、XRD、SEM和电导率等性能进行表征,研究了分散剂浓度、烧结温度和烧结时间对NASICON基板性能的影响。对素坯进行差热分析得到素坯烧结的最佳升温条件,在100℃-500℃和500-1100℃范围内的升温速度分别设置成0.5℃/min和1℃/min。在1100℃下烧结12小时的基板在250℃下的电导率最高,即3.59610-2S cm-1。利用NASICON陶瓷基板制作平面型CO2传感器,对传感器的气敏特性进行测试。器件在450℃下对2000-10000ppm CO2的灵敏度为82.9mV/decade。
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