[发明专利]多孔NiMn2O4为敏感电极的YSZ 基混成电位型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领域，具体涉及一种以多孔NiMn₂O₄为敏感电极的YSZ基混成电位型NO₂传感器及制备方法，其主要用于汽车尾气的检测。

背景技术

汽车排放的氮氧化物（NO_x）是造成城市大气污染的主要原因，随着汽车保有量的快速增长，由NO_x所导致的环境问题将更加严峻和突出。对于柴油车和使用稀燃发动机的汽油车，由于排气中残留氧气浓度较高，传统的三元催化剂已不能有效地除去NO_x，需要在其后加装吸藏型催化剂对NO_x进行吸收，此系统中必须使用NO_x传感器。NO_x传感器在新型排气处理系统中担当两个角色：一是实时监控发动机的燃烧状态，二是监视吸藏型催化剂是否达到饱和，可见NO_x传感器在新型排气处理系统中发挥着关键作用。由于汽车排气是典型的高温、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NO_x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。基于固体电解质和氧化物电极的混成电位型传感器除具有灵敏度高、响应恢复快、选择性好和可靠性高等优点外，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，因此由二者构成的NO_x传感器在汽车排气监控领域具有潜在的重要应用。

图1描述了稳定氧化锆基混成电位型NOx传感器的敏感机理，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和膜厚度决定NO₂浓度的降低程度；在三相反应界面，同时发生电化学氧化反应（2）和还原反应（3），两者达到平衡时形成混成电位，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，而反应率取决于电极材料的分子组成、分子结构、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）

2O^2-→O₂+4e^-       （3）

目前，国内外对传感器敏感电极进行了很多的研究，其中二元氧化物和尖晶石材料备受大家的亲睐。其中尖晶石结构（通式AB₂O₄型，A为+2价阳离子，B为+3价阳离子）的材料已经证明是很好的敏感电极材料。日本九州大学传感器专家N.Muria教授研究组制作的以NiO为敏感电极的混成电位传感器对100ppmNO₂的混成电位值为10～20mV（Perumal Elumalai，Norio Miura，Performances of planar NO₂ sensor using stabilized zirconia and NiO sensing electrode at high temperature，Solid State Ionics 176(2005)2517-2522），限制这种传感器实用化的一个主要因素就是灵敏度还达不到实用的要求。在文献中报道的此类传感器中灵敏度低的主要原因之一是材料过于致密、扩散性差，气体在到达三相界面之前被大量消耗，导致在三相界面处气体浓度降低、灵敏度下降。如果设计具有特殊微观结构的多孔氧化物作为敏感电极，就可以提高扩散速率，有效降低NO_x的消耗，使灵敏度明显提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种以多孔NiMn₂O₄为敏感电极的YSZ基混成电位型NO₂传感器及其制备方法，以提高NO₂传感器灵敏度等性能。