[发明专利]以Ni3V2O8为敏感电极的YSZ基混成电位型NH3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，具体涉及一种以Ni₃V₂O₈为敏感电极的YSZ基混成电位型NH₃传感器及制备方法，其主要用于汽车尾气的检测。

背景技术

随着人类工业化进程的不断加快，大量的燃料资源被消耗，进而引发了一系列的环境污染问题。其中，近两年的雾霾现象日趋严重。引起这种污染现象的主要原因之一是汽车排放的废气中包含有害的空气污染物，尤其是氮氧化物(NO_x)。随着汽车保有量的快速增长，由NO_x所导致的环境问题也将更加严峻和突出。因此，为了满足越来越苛刻的尾气释放标准，脱硝的尾气后处理方法迫切的需要。目前，在发动机的后处理系统中，使用尿素作为选择催化还原剂来减少NO_x的排放已经被认为是最有前途的技术。在这个系统中，尿素溶液被注入到排气管线与燃烧废气中的NO_x进行反应，为了精确的控制尿素的注入量，避免氨气泄露引起更严重的空气污染问题，使用氨气传感器作为在线监测反馈控制系统是非常必要的。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NH₃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敏感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)和氧化物敏感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NH₃传感器在汽车尾气监控领域具有潜在的重要应用。

稳定氧化锆基混成电位型NH₃传感器的敏感机理是：气氛中NH₃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)，NH₃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NH₃浓度的降低程度。在气体/敏感电极/YSZ导电层的三相界面处，同时发生氧的电化学还原反应和NH₃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：

4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O           (1)

1/2 O₂+2e^-→O^2-               (2)

2/3 NH₃+O^2-→1/3 N₂+H₂O+2e^-   (3)

目前，为了提高此类传感器的敏感特性，国内外对传感器敏感电极材料进行了很多的研究。例如，本课题组制作的以CoWO₄为敏感电极材料的YSZ基混成电位型NH₃传感器对100ppm NH₃的混成电位值为-7.8mV(Quan Diao,Fasheng Yang,Chengguo Yin,Jianguo Li,Shiqi Yang,Xishuang Liang,Geyu Lu,Ammonia sensors based on stabilized zirconia and CoWO₄sensing electrode,Solid State Ion 225(2012)328-331)。此类氨气传感器的缺点在于响应值低、选择性不够优秀，达不到实用的要求。因此，需要开发具有高电化学催化活性和多孔性的新型敏感电极材料，提高气体通过敏感电极向三相界面扩散的速率，加快三相界面处的电化学反应，使敏感特性(灵敏度、响应值、选择性、稳定性等)明显提高。

发明内容